[发明专利]带有猫眼反射器的饱和吸收光谱稳频光学系统

说明书

本发明涉及激光器稳频技术领域，提出了一种带有猫眼反射器的饱和吸收光谱稳频光学系统，旨在解决现有的饱和吸收光谱稳频光学系统光路稳定性差的技术问题。本发明包括沿同一光轴依次设置的偏振分束器、四分之一波片、原子源玻璃泡，以及设置在偏振分束器反射光路上的光电探测器；改进之处为在原子源玻璃泡输出光路上设置有猫眼反射器，使入射光与反射光在光路上完全共线，光束准直性好，对光路中光学器件的角度失配不敏感，光路调节难度低，固定后不易受外界震动、温度等环境影响，提高了光学系统的稳定度。

技术领域

本发明涉及激光器稳频技术领域，特别涉及一种主要用于激光器稳频的带有猫眼反射器的饱和吸收光谱稳频光学系统。

背景技术

半导体激光器广泛应用于精密光谱、量子光学、原子冷却、原子干涉等领域。在原子冷却与原子干涉等领域中首先要对半导体激光器进行稳频，目前应用较为广泛的稳频光学系统为饱和吸收光谱稳频系统，饱和吸收光谱稳频系统可以清晰的分辨⁸⁷Rb原子的主要吸收峰，将激光器的频率锁定在其中信号最强的几个吸收峰上。图1所示为目前常用的饱和吸收光谱稳频光学系统，其主要包括偏振分束器101、设置在旋转安装座103上的四分之一波片102、原子源玻璃泡104、0度全反射镜105和光电探测器106；输入的线偏振激光光束100依次经过偏振分束器101与四分之一波片102后，进入原子源玻璃泡104，然后由0度全反射镜105反射，光束沿原路返回，再次经过四分之一波片102后，偏振方向旋转90°，经过偏振分束器101反射后，到达光电探测器107，饱和吸收光谱信号由光电探测器107转换为电信号。该电信号经过后续电路处理后得到鉴频信号，将该鉴频信号提供给激光器伺服系统，通过激光器伺服系统对激光进行稳频，具体实施方法参阅文献‘Appl.Phys.B84,683-690(2006)’中figure 3的相应部分和‘Matter wave interferometry in microgravity,pp175(2014)’中figure 6.6的相应部分。

图1所示的现有的饱和吸收光谱稳频光学系统具有结构简单，易调节的优点，但在实际应用中也存在诸多问题：

1)性能受限；

要获得信号较强的吸收峰用于频率锁定，必须使用长度较长的原子源玻璃泡，这必然增加了整个光学系统光路的长度，导致其在小型化和集成化要求高的应用场合不能满足使用要求，限制了其使用范围。

2)稳定性差；

信号光反射镜均采用0度全反射镜，光路的稳定性主要由系统中的0度全反射镜决定。由于环境的振动、温度的变化都会使得激光束在0度全反射镜上产生角度偏摆和线位移，导致原子源玻璃泡中的反射光和入射光的空间重合程度随之变化，同时反射到光电探测器上的信号光束也随之产生角度偏摆和线位移，这两个因素都导致使饱和吸收信号强度产生较大的抖动，从而引起鉴频信号大幅度变化，使得激光器稳频性能变差。

3)与温控装置配合性差；

原子源玻璃泡的两个通光面不可能是绝对平行的，总有一定夹角，此时原子源玻璃泡可以看作楔角很小的一个光楔(在一些实施例中，原子源玻璃泡的两个通光表面具有4-8°的对称倾斜，由于对称角度不可能完全相同，因此也可以看做楔角很小的一个光楔)。同时，许多情况下原子源玻璃泡上需要安装有加热装置，通过温度控制使原子源工作在最佳温度，然而环境温度的起伏使此时光路内的原子源玻璃泡相当于一个楔角随温度变化而不断改变的光楔，这同样会引起原子源玻璃泡中的反射光和入射光的空间重合程度变化，使反射到光电探测器上的信号光束也随之产生角度偏摆和线位移，从而引起鉴频信号大幅度变化，使得激光器稳频性能变差，甚至脱锁。

发明内容

为了解决现有的饱和吸收光谱稳频光学系统光路稳定性差的技术问题，本发明提出一种带有猫眼反射器的饱和吸收光谱稳频光学系统。

本发明的技术解决方案如下：