专利名称：双调制互注入的相干双色光源生成装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及被动型相干布居囚禁原子钟领域，尤其涉及一种双调制互注入的相干双色光源生成装置。
背景技术：
被动型CPT (Coherent Population Trapping,相干布居囚禁)原子钟是一种提供高稳定度、高准确度频率信号的设备，它可满足导航、精确定位、精密计时和精密测量等众多应用的要求。而且，被动型CPT原子钟具有体积小、功耗低、重量轻、启动快和可微型化等诸多特点，因而原子钟可应用于导航、通信、导弹制导、卫星控制、电网调节和电子学仪器设备等技术领域。
CPT原子钟的原理为两种不同频率的激光场与三能级原子体系作用，如果这个两个激光的频率差等于原子两个基态超精细结构之间间隔，且满足双光子共振条件，则基态的两个子能级就被相干地耦合起来，子能级上的原子不再从两个激光场中吸收光子，不会被激发到激发态，即原子被囚禁在基态的两个子能级上。当其中一束光的频率在原子共振频率附近扫描时，光在原子介质中的透射强度呈现为电磁诱导透明信号，由于电磁诱导透明信号经过处理后可作为误差信号将晶体振荡器的输出频率锁定在原子基态超精细子能级间隔上。
CPT原子钟中重要的组成部分是物理单元，物理单元包括光源、原子气室和光电探测器。光源生成器产生的激光信号通过原子气室与内部的原子气体作用并通过光电探测器的探测获得相干布居囚禁信号。
现有的光源包括激光管和四分之一波片，激光管的输入端连接有电流驱动电路。 工作时，电流驱动电路输出直流信号和微波信号耦合后驱动和调节激光管输出所需的激光信号，所述激光信号通过四分之一波片输出左旋或右旋圆偏振光与原子气室内部的原子气体作用并通过光电探测器的探测获得相干布居囚禁信号。
然而，现有光源输出的是左旋或右旋圆偏振光，当左旋或右旋圆偏振光作用于原子气室中的原子气体时，由于光抽运效应会使大量原子分布到磁量子数最小或最大的能级，而原子钟跃迁需要的两个磁量子数为零的能级上的布居数很少。此外，现有光源产生的调频多色激光束中主要是± I级频率边带参与CPT过程，其他无用的频率边带作为背景光造成获得的相干布居囚禁信号的对比度很低，从而影响了晶体振荡器输出频率的稳定度。
因此，有必要提供一种相干双色光源装置来克服上述缺陷。发明内容
本发明的目的是提供一种双调制互注入的相干双色光源生成装置，我们采用双调制的方法使得注入锁定更加稳定，而且不用考虑两路调制电流之间的微波辐射干扰，另外我们的光路以更加紧凑的结构获得了平行发射、线偏振方向相互垂直且纯度较高的相干双色光源。
为了实现上述目的，本发明提供了一种双调制互注入的相干双色光源装置，包括固定在阵列基底上的第一激光管和第二激光管，第一激光管的电信号输入端连接第一 T型偏置器，第二激光管的电信号输入端连接第二 T型偏置器，沿第一激光管发射的激光束的出射方向依次设置有双折射晶体、第一四分之一波片、凸透镜、平面部分反射镜和第二四分之一波片，第二激光管与双折射晶体相对。
较佳地，双折射晶体的光轴方向与双折射晶体的表面的夹角为45°。
较佳地，双折射晶体的厚度d满足公式d = LxH-^，其中，L为第一激光管和第二激光管的光中心的距离，ne和η。分别为非寻常光和寻常光在双折射晶体中传播的折射率。
较佳地，双折射晶体为钕钒酸钇晶体，第一激光管和第二激光管为垂直腔面发射激光管。
较佳地，第一四分之一波片的光轴方向与第一激光管发出的激光束的偏振方向的夹角为45°，第二四分之一波片的光轴方向与第一激光管发出的激光束的偏振方向的夹角为 45。。
较佳地，第一激光管位于凸透镜的焦点上。较佳地，所述凸透镜的焦距大于双折射晶体的厚度(d)，第一激光器和第二激光器到凸透镜距离之差不大于第一激光器和第二激光器之间的距离(L)。
较佳地，第一激光管发出的激光束垂直于平面部分反射镜的表面入射。
较佳地，平面部分反射镜的透射率与反射率的比值为(99 ± 0.5): § +0.5)。需要说明的是，平面部分反射镜的透射率与反射率之和为100。
与单调制互注入锁定技术相比，一方面，在单调制的方案中，仅仅是第一激光器的载波和第二激光器的第一光学边带之间相互锁定，采用双调制的方法使得第一激光器和第二激光器输出多色光中所有的边带都相互对应锁定，因此锁定更加稳定。在单调制的方案中，集成在同一芯片上的两个激光器距离很近，微波辐射会影响第一激光器未调制的直流。 在双调制的方案中，由于两个激光器的直流电流都受到相同功率、相同频率的微波调制，微波辐射彼此没有影响。另一方面，在光路上，通过调节激光器的角度可以实现偏振方向的旋转，因此可以省掉一个调节激光偏振方向的半波片。光路中布置有凸透镜，凸透镜就可以将两个激光器输出的发散光束变为平行光束。同时采用较长焦距的凸透镜，更容易制作，降低了成本，更有利于两个激光管的布置。我们的光路以更加紧凑的结构获得了平行发射、线偏振方向相互垂直且纯度较高的相干双色光源。
通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
图1为本发明双调制互注入相干双色光源装置的结构示意图。
图2为图1中第一激光管输出激光束的光路及偏振变化示意图。
图3为图1中第二激光管输出激光束的光路及偏振变化示意图。
图4为图1中第一、二激光管输出激光的频谱示意图。
图5为本发明双调制互注入相干双色光源装置产生的相干双色光的拍频信号和单个激光管受到调制信号驱动产生的多色光边带间的拍频信号的波形图。
具体实施方式
现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。
如图1所示，本实施例的双调制互注入相干双色光源装置包括T型偏置器9，T型偏置器8、微波功分器7、阵列基底10,输入的微波信号被微波功分器7分为功率相等的两路微波，第一路微波和直流信号DCl通过T型偏置器9耦合成的调制信号I1驱动的第一激光管11，第二路微波和直流信号DC2通过T型偏置器8耦合成的调制信号I2驱动的第二激光管12，双折射晶体13、第一四分之波片14、凸透镜15、平面部分反射镜16和第二四分之一波片17。第一四分之一波片14、凸透镜15、平面部分反射镜16和第二四分之一波片17 沿第一激光管11发射的激光束的出射方向依次设置，双折射晶体13的上部设置在第一激光管11和第一四分之一波片14之间，双折射晶体13的下部与第二激光管12相对。优选地，第一激光管11和第二激光管12均为垂直腔面发射激光管，双折射晶体13为钕钒酸钇晶体。
具体地，双折射晶体13的光轴方向与双折射晶体13的表面的夹角α为45°。双OeI Λ +Λ折射晶体13的厚度d满足公式d = Lx -1——1-，其中，L为第一激光管11和第二激光管12 # -Λ,的光中心的距离，~和η。分别为非寻常光和寻常光在双折射晶体13中传播的折射率，可通过晶体的技术手册获得。第一四分之一波片14的光轴方向与第一激光管11发出的激光束的偏振方向的夹角为45°，第二四分之一波片17的光轴方向与第一激光管11发出的激光束的偏振方向的夹角为45°。第一激光管11位于凸透镜15的焦点上。第一激光管11发出的激光束垂直于平面部分反射镜16的表面入射。平面部分反射镜16的透射率与反射率的比值为99:1。
图2为第一激光管输出激光束的光路及偏振变化示意图。如图2所示，第一激光管11在直流信号I1的驱动下发射出发散的线偏振激光束al，调节激光管的角度，使线偏振光al偏振方向垂直。发散的垂直线偏振激光束al在双折射晶体13中传播时，传播方向不发生改变，因而，从双折射晶体13出射时仍为单色垂直线偏振激光束。旋转第一四分之一波片14的角度，使光轴方向与水平方向夹角为45°，发散垂直线偏振激光束al经过第一四分之一波片14后变为发散左旋圆偏振激光束a2。由于第一激光管位于凸透镜15的焦点上，发散左旋圆偏振激光束a2经过凸透镜15变为平行左旋圆偏振激光束a3。透射率反射率为99:1的平面部分反射镜16将平行的左旋圆偏光a3分为透射的左旋圆偏振激光束 a4和反射的左旋圆偏振激光束a5，为了描述和视图方便，对a5在竖直方向上进行了平移。 旋转第二四分之一波片17使光轴方向与水平方向夹角为45°，透射的左旋圆偏振激光束 a4经过第二四分之一波片17变为水平线偏振激光束a6。反射的左旋圆偏振激光束a5再次经过第一四分之一波片14后变为注入水平线偏振激光束a7。由于双折射晶体13的双折射特性，注入水平线偏振激光束a7在进入双折射晶体13中时发生一次折射，因而，水平线偏振激光束a7在双折射晶体13中的传播方向与水平方向的夹角为cot '(^)-45'"，当水平rr线偏振激光束a7在透射出双折射晶体13时又发生一次折射，这样，从双折射晶体13中透射出的水平线偏振激光束a7的传播方向再次改变回来，成为水平线偏振激光束a8，水平线偏振激光束a8能够正好注入到第二激光管12中。
图3为第二激光管输出激光束的光路及偏振变化示意图。如图3所示，第二激光管12在由微波信号和直流信号耦合而成的调制信号I2的驱动下发射出发散的调频多色线偏振光bl,调节第二激光管12的角度使发散线偏振光bl的偏振方向水平。水平线偏振光 bl在进入双折射晶体13时发生一次折射，因而，水平线偏振光bl在双折射晶体14中的传2播方向与水平方向的夹角为cot_1(%)-45°，当水平线偏振光bl在透射出双折射晶体14中 0时又发生一次折射，这样，从双折射晶体13中透射出的水平线偏 振光b2的传播方向再次改变回来。水平线偏振光b2经过第一四分之一波片14后变为右旋圆偏振激光束b3。对于一I a I) M|*fJbS般的双折射晶体，如钕钒酸钇晶体，η。和ne分别为1. 9500和2. 1554，d = IxK一^| = WLIse V P# m€，由图1的几何关系可知，凸透镜15的焦距大于d，而第一激光器11和第二激光器12到凸透镜15距离之差小于L，因此第二激光器也近似位于凸透镜15的焦点，因此发散的右旋圆偏振激光束b3经过凸透镜15变成平行的右旋圆偏振激光束b4，右旋圆偏振激光束b4被透射率反射率为99:1的平面部分反射镜16分为透射的右旋圆偏振激光束b5和反射的右旋圆偏振激光束b6，为了描述和视图方便，对b6在竖直方向上进行了平移。透射的右旋圆偏振激光束b5经过第二四分之一波片17变为垂直线偏振激光束b7。反射的右旋圆偏振激光束b6再次经过第一四分之一波片14后变为注入垂直线偏振激光束b8。注入垂直线偏振激光束b8在双折射晶体13中的传播方向不会改变，沿着原来的光路返回。垂直线偏振激光束b8透射过双折射晶体13后成为注入垂直线偏振激光束b9，注入到第一激光管11中。
如上所述，第一激光管11和第二激光管12通过平面部分反射镜16的反射光形成互注入。第一激光器11和第二激光管12的驱动电流受到的微波调制较浅，输出的激光包含多个等间隔的频率边带，其中载波的功率为总光强光功率的90%。调节I1的直流信号使第一激光管11输出的激光载波频率和第二激光管12的+1级光边带的频率重合，如图4所示，此时第一激光管11的……_4，-3，-2，-1,0, +1，+2，……级边带分别与第二激光管12的......_3, -2, -1,0, +1, +2, +3......级边带I禹合。则第一激光管 11 的......_4，-3, -2, -1,O,+1, +2,......级边带分别与第二激光管12的......-3, -2, -1,0, +1, +2, +3......级边带形成同差锁定，第一激光管11的载波和第二激光管12的载波形成频差为微波频率的异差锁定。由于在双调制下，第一激光器和第二激光器输出多色光中所有的边带都相互对应锁定， 因此锁定更加稳定。另外，在单调制的方案中，集成在同一芯片上的两个激光器距离很近， 微波辐射会影响第一激光器未调制的直流。在双调制的方案中，由于两个激光器的直流都受到相同功率、相同频率的微波调制，微波辐射彼此没有影响。透射过平面部分反射镜16 的输出光中主要包含第一激光管11的激光载波和第二激光管12的载波，这样就获得了偏振方向相互垂直且纯度较高的相干双色光。
为了判断获得的双色光的相干性，可将输出的光经过一个偏振片，旋转偏振片的角度使第一激光管11与第二激光管12透射过偏振片的激光功率之比为1:1。然后用高速光电探测器将获取的双色光的拍频信号送入频谱仪观察。如图5所示，Xl为第二激光管12 发出的多色光边带间的拍频信号，X2为锁定后第一激光管11和第二激光管12发出的激光束合束后的拍频信号，我们看到后者的信噪比比前者高出约22dB，证明我们的装置确实获得了高纯度、高相干性的双色光束。
如上所述，本发明得到的光源的线偏振方向是相互垂直的且线偏振光可以分解为左旋和右旋圆偏振光的叠加，左旋和右旋圆偏振光产生的抽运效应可以相互抵消，当偏振方向相互垂直的线偏振双色光与原子作用时，会使大量原子布居到磁量子数为零的能级上即原子大量布居在原子钟需要的钟跃迁态上，从而可得到高质量的CPT信号。另一方面，本发明的两个激光管通过平面部分反射镜的反射光进行互相注入锁定，大幅度减少了调频光中不参与CPT过程的其他边带的光强，从而，能够获得纯度较高的近似相干双色光，纯度较高的相干双色光作用于原子气室中的原子气体时，可改善CPT信号的质量。再一方面，本发明的光源装置中采用了两只激光管裸管且本发明的光源装置中的光学器件都适合集成，因而，可大大降低成本并实现微型化。
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。
权利要求
1.一种双调制互注入的相干双色光源装置，包括固定在阵列基底上的第一激光管和第二激光管，其特征在于第一激光管的电信号输入端连接第一 T型偏置器，第二激光管的电信号输入端连接第二 T型偏置器，沿第一激光管发射的激光束的出射方向依次设置有双折射晶体、第一四分之一波片、凸透镜、平面部分反射镜和第二四分之一波片，第二激光管与双折射晶体相对。
2.如权利要求I所述的双调制互注入的相干双色光源装置，其特征在于，双折射晶体的光轴方向与双折射晶体的表面的夹角为45°。
3.如权利要求I所述的双调制互注入的相干双色光源装置，其特征在于所述凸透镜的焦距大于双折射晶体的厚度(d)，第一激光器和第二激光器到凸透镜距离之差不大于第一激光器和第二激光器之间的距离(L)。
4.如权利要求I所述的双调制互注入的相干双色光源装置，其特征在于第一T型偏置器和第二 T型偏置器的信号输入端连接微波功分器。
5.如权利要求I所述的双调制互注入的相干双色光源装置，其特征在于，双折射晶体为钕钒酸钇晶体，第一激光管和第二激光管为垂直腔面发射激光管。
6.如权利要求I所述的双调制互注入的相干双色光源装置，其特征在于，第一四分之一波片的光轴方向与第一激光管发出的激光束的偏振方向的夹角为45°，第二四分之一波片的光轴方向与第一激光管发出的激光束的偏振方向的夹角为45° 。
7.如权利要求I或3所述的双调制互注入的相干双色光源装置，其特征在于，第一激光管位于凸透镜的焦点上。
8.如权利要求I所述的双调制互注入的相干双色光源装置，其特征在于，第一激光管发出的激光束垂直于平面部分反射镜的表面入射。
9.如权利要求I或8所述的双调制互注入的相干双色光源装置，其特征在于，平面部分反射镜的透射率与反射率的比值为,9 ± OJ): §. +0.5)。
全文摘要
本发明公开了一种双调制互注入的相干双色光源装置，包括固定在阵列基底上的第一激光管和第二激光管，第一激光管的电信号输入端连接第一T型偏置器，第二激光管的电信号输入端连接第二T型偏置器，沿第一激光管发射的激光束的出射方向依次设置有双折射晶体、第一四分之一波片、凸透镜、平面部分反射镜和第二四分之一波片，第二激光管与双折射晶体相对。本发明的相干双色光源装置采用双调制的方法使得注入锁定更加稳定，而且不用考虑两路微波调制电流信号之间的微波辐射干扰，另外我们的光路以更加紧凑的结构获得了平行发射、线偏振方向相互垂直且纯度较高的相干双色光源。
文档编号H03L7/26GK102981396SQ201210533439
公开日2013年3月20日 申请日期2012年12月11日 优先权日2012年12月11日
发明者谭伯仲, 云恩学, 顾思洪 申请人:中国科学院武汉物理与数学研究所