本發明涉及一種超窄線寬原子濾光器，更具體說，涉及一種基于Rb原子420nm躍遷的超窄線寬原子濾光器。

背景技術：

近年來，為了壓窄半導體激光器的線寬，通常使用電反饋和光反饋法將半導體激光器鎖定在原子分子躍遷的譜線上來實現穩頻，因此需要窄線寬的光譜來提供穩頻的頻率參考。由于自由光通信、水下光通信、深空通信、遙感以及激光雷達等應用系統要求更低的系統發射功率、更高的數據傳輸速率以及更小的誤碼率，法拉第反常色散原子濾光器(簡稱FADOF)因其高透射率、窄帶寬和高噪聲抑制比開始受到重視。

通常，FADOF的透射譜帶寬在幾個GHz量級，工作頻率和帶寬在一定范圍內可以連續調諧，可應用在空間光通信、水下通信等領域。為了獲得更窄線寬的原子濾光器，Gayen等人在1995年第一次實現了引入圓二色性的原子濾光器[Wieman C,T W.Doppler-free laser polarization spectroscopy[J].Physical Review Letters,1976,36(20):1170.]，這與極化譜的實驗原理類似[Harris M L,Adams C S,Cornish S L,et al.Polarization spectroscopy in rubidium and cesium[J].Physical Review A,2006,73(6):062509.]，二色性的原子濾光器是在泵浦光引入圓二色性，這種系統可使激光光譜的線寬壓窄一個數量級。

目前超窄帶寬原子濾光器可獲得最窄帶寬為10MHz左右，本發明利用此原理實現基于Rb原子420nm躍遷的超窄線寬原子濾光器，所實現的濾波器的線寬小于6.0MHz，透過率約為2.1％。具體描述和說明見實現方法。

技術實現要素：

本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種能夠將線寬壓窄到6.0MHz，透過率達到2.1％的基于Rb原子420nm躍遷的超窄線寬原子濾光器。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的:這種基于Rb原子420nm躍遷的超窄線寬原子濾光器，包括420nm半導體激光器，420nm半導體激光器電源，Rb原子蒸氣室，溫控系統，磁屏蔽盒，磁環H₁、H₂，半波片HWP₁、HWP₂，半反半透鏡BS₁、BS₂，中性衰減片NDF₁、NDF₂，四分之一波片QWP，高反鏡M₁、M₂，偏振分光棱鏡PBS和光電探測器PD₁、PD₂；所述420nm半導體激光器最大輸出功率為20mw，工作波長范圍為414nm到420nm；所述Rb原子蒸氣室的底部直徑為25mm，長為5cm；所述Rb原子蒸氣室內包括同位素⁸⁷Rb和⁸⁵Rb，含量分別為72.2％和27.8％；半反半透鏡BS₁、BS₂，高反鏡M₁、M₂均與入射光呈45°角放置，磁環H₁、H₂，半波片HWP₁、HWP₂，中性衰減片NDF₁、NDF₂，四分之一波片QWP，偏振分光棱鏡PBS均垂直于入射光放置；420nm半導體激光器發射出線偏振光，經過半反半透鏡BS₁分成強弱兩束光，其中較強的光作為泵浦光，較弱的光作為探測光，探測光和泵浦光可分別通過中性衰減片NDF₁和NDF₂來調節光強；當線偏振的泵浦光經過高反鏡M₁和四分之一波片QWP變為圓偏振光，經過高反鏡M₂和半反半透鏡BS₂之后以與探測光相反的方向與探測光重合，半波片HWP₁用來調節泵浦光、探測光的功率大小，半波片HWP₂改變探測光相對于偏振分光棱鏡PBS的偏振方向，使得通過偏振分光棱PBS的兩路信號，一路平行于探測光方向，一路垂直于探測光方向；偏振方向平行于探測光的一路信號被光電探測器PD₁接收，是飽和吸收光譜信號，作為參考信號；垂直于探測光的一路信號被光電探測器PD₂接收，是超窄線寬濾光信號；在Rb原子蒸氣室兩側設置磁環H₁、H₂引入均勻磁場，Rb原子蒸氣室和磁環位于磁屏蔽盒內。

作為優選：所述420nm半導體激光器電源包括三角波發生器、電流驅動器、溫度控制器、PZT壓電陶瓷傳感器。

作為優選：所述溫控系統包括鋁制加熱片、加熱膜、溫度傳感器、比較器和PID電路；所述溫控系統的溫控范圍從25℃加熱到150℃。

作為優選：所述的加熱膜材料為聚酰亞胺，所述加熱膜包裹在Rb原子蒸氣室外層。

作為優選：根據權利要求1所述的基于Rb原子420nm躍遷的超窄線寬原子濾光器，其特征在于：所述的溫度傳感器采用熱敏電阻，所述的熱敏電阻、加熱膜、Rb原子蒸氣室一起放置于鋁制加熱片內。

作為優選：所述的磁環H₁、H₂材質為釹鐵硼永磁體，尺寸為外徑32mm，內徑12mm，厚度4mm，磁環H₁、H₂的表面強度為900Gs，平行等距放置于Rb原子蒸氣室兩側。

這種基于Rb原子420nm躍遷的超窄線寬原子濾光器的運行方法，包括如下步驟：

步驟1：探測光：420nm半導體激光器發射出線偏振光，經過半波片HWP₁、半反半透鏡BS₁分成強弱兩束光，其中較弱的光經半反半透鏡BS₁透射為探測光，并依次經中性衰減片NDF₁、Rb原子蒸氣室、半反半透鏡BS₂、半波片HWP₂透射；

步驟2：泵浦光：420nm半導體激光器發射出線偏振光，經過半波片HWP₁、半反半透鏡BS₁分成強弱兩束光，其中較強的光經半反半透鏡BS₁反射為泵浦光，線偏振的泵浦光經過高反鏡M₁和四分之一波片QWP變為圓偏振光，經過高反鏡M₂和半反半透鏡BS₂之后以與探測光相反的方向與探測光重合，通過飽和吸收效應獲得Rb 420nm原子共振躍遷線和交叉躍遷線；

步驟3：飽和吸收光譜信號：半波片HWP₂改變探測光相對于偏振分光棱鏡PBS的偏振方向，使得通過偏振分光棱PBS的兩路信號，一路平行于探測光方向，一路垂直于探測光方向。偏振方向平行于探測光的一路信號被光電探測器PD₁接收，是飽和吸收光譜信號，作為參考信號；

步驟4：超窄線寬濾光信號：半波片HWP₂改變探測光相對于偏振分光棱鏡PBS的偏振方向，使得通過偏振分光棱PBS的兩路信號，一路平行于探測光方向，一路垂直于探測光方向。垂直于探測光的一路信號被光電探測器PD₂接收，是超窄線寬濾光信號。

本發明的有益效果是:同時采用飽和吸收效應、法拉第效應和光致圓二色性來獲得更窄線寬的原子濾光器，實現了線寬為6.0MHz，透過率為2.1％的超窄線寬原子濾光器可應用于激光穩頻、自由光通信、水下光通信、深空通信、遙感以及激光雷達等應用系統。

附圖說明

圖1是基于Rb原子420nm躍遷的超窄線寬原子濾光器的實驗光路圖；

圖2是溫控系統的原理框圖；

圖3是溫度為120℃、泵浦光功率4.5mW、磁場強度為5Gs時的超窄線寬原子濾光譜；

圖4是溫度為120℃、泵浦光功率4.5mW時透過率隨磁場變化趨勢；

圖5是泵浦光功率4.5mW、磁場強度為5Gs時透過率隨溫度的變化趨勢；

圖6是溫度為120℃、磁場強度為5Gs時透過率隨泵浦光功率的變化趨勢。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明做進一步描述。下述實施例的說明只是用于幫助理解本發明。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護范圍內。

本發明的實施光路參照1所示，半反半透鏡BS₁、BS₂，高反鏡M₁、M₂均與入射光呈45°角放置，磁環H₁、H₂，半波片HWP₁、HWP₂，中性衰減片NDF₁、NDF₂，四分之一波片QWP，偏振分光棱鏡PBS均垂直于入射光放置。420nm半導體激光器發射出線偏振光，經過半反半透鏡BS₁分成強弱兩束光，其中較強的光作為泵浦光，較弱的光作為探測光，探測光和泵浦光可分別通過中性衰減片NDF₁和NDF₂來調節光強。當線偏振的泵浦光經過高反鏡M₁和四分之一波片QWP變為圓偏振光，經過高反鏡M₂和半反半透鏡BS₂之后以與探測光相反的方向與探測光重合，半波片HWP₁用來調節泵浦光、探測光的功率大小，半波片HWP₂改變探測光相對于偏振分光棱鏡PBS的偏振方向，使得通過偏振分光棱PBS的兩路信號，一路平行于探測光方向，一路垂直于探測光方向。偏振方向平行于探測光的一路信號被光電探測器PD₁接收，是飽和吸收光譜信號，作為參考信號；垂直于探測光的一路信號被光電探測器PD₂接收，是超窄線寬濾光信號。在FADOF基礎上引入泵浦光，通過飽和吸收效應獲得Rb 420nm原子共振躍遷線和交叉躍遷線，為了避免選擇出來的共振躍遷線和交叉躍遷線被半波片HWP₂和偏振分光棱鏡PBS完全阻擋，在Rb原子蒸氣室兩側引入均勻磁場，利用法拉第效應使得偏振方向發生旋轉，在合適的條件下會透過半波片HWP₂和偏振分光棱鏡PBS，得到垂直于探測光的超窄線寬濾光信號，其線寬接近飽和吸收光譜的線寬。

溫控系統的原理框圖如圖2所示，將加熱膜包裹在銣泡上通電加熱，使用熱敏電阻傳感溫度的變化，將溫度轉換為電信號，然后與設置的溫度進行比較，得到溫差信號，經過PID電路處理，反饋給加熱膜調整加熱功率以實現溫度控制。

圖3為本發明基于Rb原子420nm躍遷的超窄線寬原子濾光器的實施例一實驗結果圖。實驗條件為溫度120℃、泵浦光功率4.5mW、磁場強度5Gs，獲得F＝3→F′＝3,4透過率為2.1％，線寬為6.0MHz。

圖4為本發明基于Rb原子420nm躍遷的超窄線寬原子濾光器的實施例一實驗結果圖。溫度為120℃、泵浦光功率4.5mW時透過率隨磁場增大而增大，磁場為5Gs時透過率達到最大為2.1％，隨著磁場繼續增大透過率開始下降。

圖5為本發明基于Rb原子420nm躍遷的超窄線寬原子濾光器的實施例一實驗結果圖。泵浦光功率4.5mW、磁場強度為5Gs時透過率隨溫度的上升而增大，溫度為120℃時透過率達到最大為2.1％，溫度繼續升高透過率開始下降。

圖6為本發明基于Rb原子420nm躍遷的超窄線寬原子濾光器的實施例一實驗結果圖。溫度為120℃、磁場強度為5Gs時透過率隨泵浦光功率增大而增大，本實驗中激光器輸出功率最大時，泵浦光功率為4.5mW，此時透過率為2.1％。