[發(fā)明專利]一種激光穩(wěn)頻方法及裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510093669.4
• 申請(qǐng)日: 2015-03-02
• 公開（公告）號(hào): CN104701727B
• 公開（公告）日: 2018-01-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭弘;彭翔;詹遠(yuǎn)志;林再盛;公韋
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號(hào): H01S3/13
• 分類號(hào): H01S3/13
• 代理公司: 北京君尚知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11200
• 代理人: 余長(zhǎng)江

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及激光穩(wěn)頻技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用原子磁光雙共振及光頻移效應(yīng)穩(wěn)定激光頻率的方法及裝置。

背景技術(shù)

自20世紀(jì)60年代激光技術(shù)發(fā)展以來，由于其具有良好的單色性和方向性，激光在光與物質(zhì)相互作用領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣泛。基于量子力學(xué)理論，原子的束縛態(tài)能量是分立的，稱為原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)。光與原子相互作用時(shí)，依據(jù)選擇定則，當(dāng)光的頻率等于原子兩個(gè)能級(jí)間隔時(shí)，原子會(huì)發(fā)生躍遷，這是利用量子效應(yīng)進(jìn)行的原子操作技術(shù)。為了能保持光與原子發(fā)生上述作用，需要光的頻率穩(wěn)定等于原子能級(jí)間隔。但是對(duì)于大多數(shù)激光器，由于機(jī)械振動(dòng)、溫度波動(dòng)、電路抖動(dòng)等因素，使激光的中心頻率會(huì)發(fā)生漂移，這樣一來激光就無法使原子持續(xù)躍遷，因此就需要一個(gè)頻率穩(wěn)定機(jī)制使激光頻率穩(wěn)定在原子能級(jí)間隔上。激光頻率穩(wěn)定技術(shù)應(yīng)用廣泛，在涉及激光與原子相互作用的基礎(chǔ)研究以及原子鐘、原子磁力儀等應(yīng)用研究中，都有重要的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述激光頻率穩(wěn)定的問題，本發(fā)明提供一種激光穩(wěn)頻方法及裝置，利用光頻移效應(yīng)會(huì)對(duì)磁光雙共振信號(hào)產(chǎn)生的影響，通過探測(cè)這種影響作為誤差信號(hào)，利用該誤差信號(hào)使激光頻率趨于穩(wěn)定。

本發(fā)明的目的之一在于，提供一種激光穩(wěn)頻裝置，包括在一激光光路上依次布置的：

用以將由一激光發(fā)生裝置發(fā)出的一束激光轉(zhuǎn)換為一左旋圓偏振光及一右旋圓偏振光的一光泵浦系統(tǒng)；

用以將由平行于入射光方向的外磁場(chǎng)和垂直于入射光的交變磁場(chǎng)共同作用兩個(gè)原子氣室的兩套原子磁共振系統(tǒng)；

用以將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并提取其中特定頻率分量的一信號(hào)采集處理系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，所述光泵浦系統(tǒng)包括在激光光路上依次布置的一偏振片、一二分之一波片、一偏振分光棱鏡、一對(duì)第一四分之一波片及一平面反射鏡。

進(jìn)一步地，所述原子磁共振系統(tǒng)包括一磁屏蔽桶以及置于所述磁屏蔽桶內(nèi)的一原子氣室、一對(duì)亥姆霍茲線圈、一對(duì)外磁場(chǎng)線圈。

進(jìn)一步地，所述外磁場(chǎng)線圈用以產(chǎn)生與入射光平行的一外磁場(chǎng)，所述亥姆霍茲線圈用以產(chǎn)生一與所述外磁場(chǎng)垂直的一交變磁場(chǎng)。

進(jìn)一步地，所述信號(hào)采集處理系統(tǒng)包括：一對(duì)光電探測(cè)器、一鎖相放大器、一比例積分微分電路，所述比例積分微分電路用以反饋控制所述激光發(fā)生裝置發(fā)出的激光的頻率。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種一種激光穩(wěn)頻方法，包括以下步驟：

1)從一激光發(fā)生裝置發(fā)出的激光經(jīng)過一光泵浦系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為一左旋圓偏振光及一右旋圓偏振光；

2)所述左旋圓偏振光及右旋圓偏振光入射兩套原子磁共振系統(tǒng)，所述原子磁共振系統(tǒng)具有與入射光平行的一外磁場(chǎng)及與所述外磁場(chǎng)垂直的一交變磁場(chǎng)；

3)所述左旋圓偏振光及右旋圓偏振光經(jīng)過兩套原子磁共振系統(tǒng)后分別由兩光電探測(cè)器探測(cè)，并鎖定所述交變磁場(chǎng)的共振頻率；

4)根據(jù)所述共振頻率進(jìn)行計(jì)算得到一誤差信號(hào)；

5)根據(jù)所述誤差信號(hào)對(duì)所述激光發(fā)生裝置進(jìn)行反饋控制，從而穩(wěn)定所述激光發(fā)生裝置發(fā)出的激光的頻率。

進(jìn)一步地，步驟1)中所述激光經(jīng)過一光泵浦系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為一左旋圓偏振光及一右旋圓偏振光包括：所述激光經(jīng)過一偏振片轉(zhuǎn)換為一線偏振光，再通過一二分之一波片調(diào)整所述線偏振光的偏振方向，再經(jīng)過一偏振分光棱鏡將所述線偏振光分成兩路互相垂直的線偏振光，再利用反射鏡將所述兩路互相垂直的線偏振光為兩路互相平行的線偏振光，再通過一對(duì)四分之一波片分別將所述兩路互相平行的線偏振光調(diào)節(jié)為一左旋圓偏振光及一右旋圓偏振光。

進(jìn)一步地，步驟2)中所述外磁場(chǎng)通過一對(duì)外磁場(chǎng)線圈產(chǎn)生，所述交變磁場(chǎng)通過一對(duì)亥姆霍茲線圈產(chǎn)生。

進(jìn)一步地，步驟4)中根據(jù)所述共振頻率進(jìn)行計(jì)算得到誤差信號(hào)包括；根據(jù)所述共振頻率計(jì)算出兩套原子磁共振系統(tǒng)的兩個(gè)外磁場(chǎng)值，再兩個(gè)外磁場(chǎng)值差分后作為誤差信號(hào)。

進(jìn)一步地，步驟5)中根據(jù)所述誤差信號(hào)對(duì)所述激光發(fā)生裝置進(jìn)行反饋控制包括：將所述誤差信號(hào)進(jìn)行比例積分微分運(yùn)算處理后，輸送至激光發(fā)生裝置，反饋控制激光器發(fā)生裝置的頻率。

本發(fā)明的工作原理：

本發(fā)明的方法及裝置利用了AC stark效應(yīng)(又稱光頻移效應(yīng))對(duì)磁光雙共振效應(yīng)的影響，當(dāng)激光頻率發(fā)生變化時(shí)，穩(wěn)頻系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差信號(hào)反饋激光器，依此穩(wěn)定激光頻率。下面分別介紹兩種效應(yīng)。