[发明专利]一种采用气固界面亚多普勒反射光谱偏频稳频装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光器的频率稳定技术，具体为一种采用气固界面亚多普勒反射光谱偏频稳频装置及方法。

背景技术

窄线宽激光器作为现代科学技术的重要标志之一，在精密测量、光频标、激光通信、激光陀螺、激光雷达的诸多领域得到了广泛的应用。在这些应用领域中，激光频率稳定度是一个极为重要的指标参数。随着激光应用的发展，激光稳频技术成为激光科学研究的重要内容，在现代科学技术中发挥着至关重要的作用。激光器在受到周围环境和自身因素的影响时，如激光器腔长、载流子浓度、温度、机械振动和工作电流漂移等会导致输出频率的不稳定。目前，比较实用的稳频技术主要有吸收线稳频、法布里-珀罗腔稳频、外腔光反馈稳频等。原子和分子吸收线提供了稳定的频率标准，广泛应用于科学实验领域，传统的绝对频率稳定方法通常采用高分辨的饱和吸收光谱技术。对于产生色散型的频率鉴别信号需要利用锁相放大器进行相敏探测，这样会对激光器引入附加的频率和强度噪声，对某些应用这种噪声引入是不可接受的。于是人们发展了基于原子吸收线的无调制稳频技术，如调制转移稳频技术、偏振光谱稳频技术等，这些技术手段利用原子的多普勒吸收线或无多普勒吸收线作为频率参考，在需要特定的小失谐偏频锁定时，多普勒吸收线虽然有大的频率锁定带宽，但反馈信号的电压-频率比比较小，而无多普勒吸收线频率锁定虽然锁定精度高，但锁定带宽较窄，达不到锁定需要的失谐量。因此，若能部分消除多普勒增宽，不但能提高锁定精度，还能有效扩展锁定带宽。基于此，为了解决现有激光稳频技术中受多普勒增宽影响或小的锁定带宽限制的问题，发明一种全新的亚多普勒锁频技术成为必然。

发明内容

本发明为解决目前激光频率锁定技术中存在锁定带宽较窄，达不到锁定需要的失谐量的技术问题，提供一种采用气固界面亚多普勒反射光谱偏频稳频装置及方法。

本发明所述的一种采用气固界面亚多普勒反射光谱偏频稳频装置是采用以下技术方案实现的：一种采用气固界面亚多普勒反射光谱的偏频稳频装置，包括激光器及其驱动装置，激光器的出射光路上顺次设有半波片和第一偏振分光棱镜，第一偏振分光棱镜的反射光路上设有内充碱金属原子蒸汽的蒸汽池；蒸汽池与第一偏振分光棱镜的反射光路对应的入射面设有楔形反射面；楔形反射面的水平面部分位于外侧且与第一偏振分光棱镜的反射光路垂直；楔形反射面的斜面部分位于内侧，楔形反射面的斜面部分的反射光路上设有全反镜；全反镜的反射光路上顺次设有四分之一波片和第二偏振分光棱镜；第二偏振分光棱镜的反射光路上设有第一光电探测器，第二偏振分光棱镜的透射光路上设有第二光电探测器，第一、第二光电探测器的信号输出端共同连接有减法器；所述减法器的信号输出端连接有比例积分电路；比例积分电路的信号输出端与激光器的驱动装置相连接；所述蒸汽池外部环绕有磁场线圈，磁场线圈的磁场走向与第一偏振分光棱镜的反射光路走向平行。

如图1所示，工作时，激光器输出的线性偏振激光透过半波片，然后被偏振分光棱镜分为两束，其中反射光射向蒸气池，蒸气池入射面为锲形反射面，防止锲形第一表面（即水平面部分）的反射光与锲形第二表面（即斜面部分）的反射光重合，这样可有效提高后续探测的灵敏度。锲形反射面的斜面部分为气固界面，蒸气池外有磁场线圈（线圈可以有多个），通过磁场使碱金属原子蒸汽产生法拉第效应。在偏离原子共振时，色散特性相较于吸收特性有更强的控制地位。这使得无吸收信号的偏共振区域激光频率锁定成为可能。法拉第效应是一种磁光效应，是在介质内光波与磁场的一种相互作用。当线偏振光在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度ψ与磁感应强度B成正比，即ψ正比于V和B的乘积，比例系数V称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。这个效应是来源于塞曼频移的介质中的双折射现象。当一个外加磁场作用在原子蒸汽上时，在塞曼效应下，（左旋光）和（右旋光）共振跃迁频率朝相反方向移动，折射系数也会发生不同的改变。由于线偏光可以考虑为两个圆偏振光的叠加，在有效光程范围内，这两种光的偏振变化将会产生一个夹角，使气固界面反射光谱产生分裂，调节线圈磁场大小可调节后续的锁定带宽。气固界面反射光谱经一全反镜反射并被第二偏振分光棱镜分成两束，全反镜与第二偏振分光棱镜之间放置一四分之一波片，四分之一波片和第二偏振分光棱镜的组合可分离分裂的反射光谱中的左旋光和右旋光信号，左旋光和右旋光信号分别由第一、第二光电探测器探测并通过减法器相减，即可获得无调制的鉴频信号，鉴频信号经过比例积分电路送入激光器驱动装置，进行激光器频率锁定。