一种激光稳频装置的制作方法

电气元件制品的制造及其应用技术1.本实用新型涉及激光稳频领域，尤其涉及一种激光稳频装置。背景技术：2.在光谱学和激光冷却应用中，将激光强度和波长控制到高精度是至关重要的。例如，在原子冷却实验中，作用在原子上的力主要取决于共振的失谐和冷却过程中涉及的状态，这可能与系统中的其他状态仅相隔几兆赫兹。因此，冷却这些原子需要激光频率稳定，并控制在过渡频率附近的mhz或sub-mhz精度。3.然而，自由运转的激光器的输出频率质量会受到很多外在因素的影响，如外部环境温度的变化、大气压强的变化、机械振动和外界磁场的变化等，所以实际激光器的输出频率的漂移会很大程度上大于其自然线宽，这样会使得激光器频率的线宽会有展宽，并且输出频率的稳定度也会大大降低，因此，需要建立相应的稳频系统来压窄激光器线宽并提高激光器的输出频率，稳定度，使其满足实验应用中的要求。4.现有技术中，稳频系统采取加入外调制(如a0m外调制)的方式进行稳频处理，这种方式需要进行调制和解调，操作繁琐，且提高了稳频系统的成本。技术实现要素：5.为了克服现有技术的不足，本实用新型提出一种激光稳频装置，通过第一分光片将激光分为泵浦光束、探测光束以及参考光束，通过第二光路使泵浦光束、探测光束从蒸汽室的相对两端对射入蒸汽室，得到无多普勒饱和吸收信号的探测光束，使经过蒸汽室的探测光束经分光后射入稳频模块，利用射入稳频模块的探测光束、参考光束生成锁频信号，从而实现激光频率的主动稳定，避免了需要加入外调制的问题，减少了调制与解调过程，简化了操作步骤，降低了制造成本和使用成本。6.为解决上述问题，本实用新型采用的一个技术方案为：一种激光稳频装置，所述激光稳频装置包括：激光器、第一光路、第一分光片、第二光路、蒸汽室以及稳频模块，所述第二光路包括光束偏振分束器，所述稳频模块与所述激光器连接；所述激光器发出的激光通过第一光路传输给所述第一分光片，通过所述第一分光片将激光分为泵浦光束、探测光束以及参考光束，所述参考光束射入所述稳频模块；所述泵浦光束、探测光束通过所述第二光路从所述蒸汽室的不同侧射入所述蒸汽室，在所述蒸汽室内产生探测光，通过所述光束偏振分束器分光后的所述探测光射入所述稳频模块；所述稳频模块包括平衡放大光电探测器、锁相放大器，所述平衡放大光电探测器与所述锁相放大器电连接，稳频模块用于通过所述平衡放大光电探测器、锁相放大器处理所述参考光束、探测光产生锁频信号。7.进一步地，所述第一光路包括第二分光片、第一反射镜，所述第二分光片对激光进行分光处理，将分出的一束激光反射至第一反射镜，通过第一反射镜将激光反射至所述第一分光片。8.进一步地，所述激光稳频装置还包括第二反射镜、第三反射镜，所述第二反射镜接收所述第一分光片分出的参考光束，将所述参考光束反射至第三反射镜，通过所述第三反射镜反射后垂直射入所述稳频模块。9.进一步地，所述激光稳频装置还包括透镜，所述透镜设置在所述稳频模块接收所述参考光束、探测光的一侧，所述参考光束、探测光穿过不同的透镜后射入所述稳频模块。10.进一步地，所述透镜的数量为两个，两个透镜到稳频模块的距离相同。11.进一步地，所述第二光路包括第一四分之一波片、第二四分之一波片、半波片，所述泵浦光束依次穿过所述半波片、第一四分之一波片后射入蒸汽室，所述探测光束穿过所述第二四分之一波片后射入所述蒸汽室，所述探测光穿过所述第一四分之一波片后射入所述光束偏振分束器。12.进一步地，所述第一四分之一波片、第二四份之一波片设置在所述蒸汽室的不同侧，且彼此相对。13.进一步地，所述第二光路还包括第七反射镜，穿过所述第一分光片的泵浦光束经所述第七反射镜反射至所述半波片。14.进一步地，所述第二光路还包括第四反射镜，所述第四反射镜接收穿过所述半波片的泵浦光束，将所述泵浦光束反射至所述光束偏振分束器，通过所述光束偏振分束器反射至所述第一四分之一波片。15.进一步地，所述激光稳频装置还包括第五反射镜、第六反射镜，所述第五反射镜将射出所述光束偏振分束器的探测光反射至第六反射镜，所述第六反射镜反射的探测光垂直射入所述稳频模块。16.相比现有技术，本实用新型的有益效果在于：通过第一分光片将激光分为泵浦光束、探测光束以及参考光束，通过第二光路使泵浦光束、探测光束从蒸汽室的相对两端对射入蒸汽室，得到无多普勒饱和吸收信号的探测光束，使经过蒸汽室的探测光束经分光后射入稳频模块，利用射入稳频模块的探测光束、参考光束生成锁频信号，从而实现激光频率的主动稳定，避免了需要加入外调制的问题，减少了调制与解调过程，简化了操作步骤，降低了制造成本和使用成本。附图说明17.图1为本实用新型激光稳频装置一实施例的流程图；18.图2为本实用新型激光稳频装置另一实施例的结构图。19.图中：1、第二分光片；2、第一反射镜；3、第一分光片；4、第七反射镜；5、半波片；6、第四反射镜；7、光束偏振分束器；8、第一四分之一波片；9、第二四分之一波片；10、第五反射镜；11、第六反射镜；12、第二反射镜；13、第三反射镜。具体实施方式20.以下通过特定的具体实例说明本技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本技术的其他优点与功效。本技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，通常在此处附图中描述和示出的各本公开实施例在不冲突的前提下，可相互组合，其中的结构部件或功能模块可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本公开的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本公开的范围，而是仅仅表示本公开的选定实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。21.在本技术公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。22.请参阅图1-图2，其中，图1为本实用新型激光稳频装置一实施例的流程图；23.图2为本实用新型激光稳频装置另一实施例的结构图。结合图1-图2对本实用新型激光稳频装置做详细说明。24.在本实施例中，激光稳频装置包括：激光器、第一光路、第一分光片3、第二光路、蒸汽室以及稳频模块，第二光路包括光束偏振分束器7，稳频模块与激光器连接；激光器发出的激光通过第一光路传输给第一分光片3，通过第一分光片3将激光分为泵浦光束、探测光束以及参考光束，参考光束射入稳频模块；泵浦光束、探测光束通过第二光路进入所述蒸汽室，在蒸汽室内产生探测光，通过光束偏振分束器7分光后的探测光射入稳频模块，稳频模块根据探测光、泵浦光束产生发送给激光器的锁频信号以稳定激光的频率，其中，进入蒸汽室的参考光束、泵浦光束彼此相对，方向相反，且相位不同，探测光为无多普勒饱和吸收信号的探测光束。其中，稳频模块为电控稳频系统，激光器根据电控稳频系统发送的锁频信号调节发出的激光的频率。25.稳频模块包括平衡放大光电探测器、锁相放大器，平衡放大光电探测器与锁相放大器电连接，稳频模块用于通过平衡放大光电探测器、锁相放大器处理参考光束、探测光产生锁频信号。26.在一个具体的实施例中，接收光信号的平衡放大光电探测器是balanced pd，thorlabs公司的pdb435a，利用平衡放大光电探测器得到探测光、参考光束之差，锁相放大器(如斯坦福的sr844)将该探测光、参考光束之差转换为电信号，即锁频信号，激光器根据该锁频信号稳定发出的激光的频率。27.在本实施例中，蒸汽室为钾蒸汽室或碘蒸汽室，其中，蒸汽室为钾蒸汽室时，只需加热到90℃就能产生足够的原子蒸气，激光的谱线为767nm，为碘蒸汽室时，激光的谱线为739nm。28.在一个实施例中，第一光路包括第二分光片1、第一反射镜2，第二分光片1对激光进行分光处理，将分出的一束激光反射至第一反射镜2，通过第一反射镜2将激光反射至第一分光片3，利用第一光路得到用于获取锁频信号的激光。29.具体的，第二分光片1为92：8玻璃片，将8％的激光反射至第一反射镜2以利用该激光获取锁频信号。另外92％的激光穿过第二分光片1以进行实验操作。30.在其他实施例中，第二分光片1分出的激光的比例也可以不为8％，还可以为7％，9％以及其他比例，具体可根据用户选择的第二分光片1的类型进行设置。31.在本实施例中，泵浦光束的功率大于探测光束、参考光束。第一分光片3为92∶4∶4玻璃片，第一反射镜2反射的激光经第一分光片3分为比例为92∶4∶4的泵浦光束、探测光束、参考光束，第二分光片1的厚度小于第一分光片3的厚度。32.在一个具体的实施例中，第一反射镜2为一英寸反射镜，第二分光片1分出功率为25mw的激光，该激光经第一反射镜2反射至第一分光片3。第一分光片3为92∶4∶4厚玻璃片，分出功率约为20mw的泵浦光束。并将分出的泵浦光束、探测光束射入第二光路。33.在本实施例中，激光稳频装置还包括第二反射镜12、第三反射镜13，第二反射镜12接收第一分光片3分出的参考光束，将参考光束反射至第三反射镜13，通过第三反射镜13反射后垂直射入稳频模块，利用第二反射镜12、第三反射镜13改变参考光束的方向以达到参考光束射入稳频模块的效果。34.在一个实施例中，第一反射镜2、第三反射镜13均为一英寸反射镜，第二反射镜12为0.5英寸反射镜，在其他实施例中，第一反射镜2、第二反射镜12、第三反射镜13尺寸也可以不限于上述尺寸，还可以为两英寸或者其他尺寸，且三者的尺寸也可以全部相同或完全不一致，根据具体环境和用户需求设置，在此不做限定。35.在一个具体的实施例中，第二反射镜12、第二反射镜12为一英寸反射镜，第三反射镜13的镜面朝向稳频模块的激光接收面，第二反射镜12的镜面朝向第一分光片3，接收第一反光片分出的参考光束，将该参考光束反射至第三反射镜13，经第三反射镜13反射至激光接收面。36.在本实施例中，为了使探测光、参考光束能够有效射入稳频模块，激光稳频装置还包括透镜，透镜设置在稳频模块接收参考光束、探测光的一侧，参考光束、探测光穿过不同的透镜后射入稳频模块。通过透镜汇聚发射至稳频模块的探测光、参考光束。37.在一个具体的实施例中，透镜的数量为两个，平行设置在稳频模块接收激光的一侧，且二者与稳频模块之间的距离相同。其中一个透镜设置在稳频模块、第二反射镜12之间，参考光束经该透镜入射至稳频光源。38.在本实施例中，第二光路包括第一四分之一波片8、第二四分之一波片9、半波片5，泵浦光束依次穿过半波片5、第一四分之一波片8后射入蒸汽室，探测光束穿过第二四分之一波片9后射入蒸汽室，探测光穿过第一四分之一波片8后射入光束偏振分束器7。第一四分之一波片8、第二四份之一波片9设置在蒸汽室的不同侧，且彼此相对。39.其中，第二光路还包括第四反射镜6，第四反射镜6接收穿过半波片5的泵浦光束，将泵浦光束反射至光束偏振分束器7，通过光束偏振分束器7反射至第一四分之一波片8，通过第四反射镜6的换向，使发射到光束偏振分束器7的泵浦光束能够被反射至第一四分之一波片8。40.在本实施例中，第四反射镜6为一英寸反射镜。41.在本实施例中，蒸汽室沿探测光束进入蒸汽室方向的截面的长方形，探测光束、泵浦光束从长方形中距离相对较远的两端进入蒸汽室，在其他实施例中，在保证探测光束、泵浦光束在蒸汽室中有足够运动距离的基础上，探测光束、泵浦光束也可以从长方形距离较近的相对两侧进入蒸汽室，或者蒸汽室的截面也可以为圆形、方形、六边形以及其他形状。42.在一个实施例中，为了使第一分光片3分出的泵浦光束有效穿过半波片5，第二光路还包括第七反射镜4，穿过第一分光片3的泵浦光束经第七反射镜4反射至半波片5，其中，第七反射镜4的反射面朝向半波片5，第一分光片3分出的泵浦光束经第七反射镜4反射至半波片5，半波片5改变泵浦光束的偏振后，经第四反射镜6反射至光束偏振分束器7，通过光束偏振分束器7反射至第一四分之一波片8。43.激光稳频装置还包括第五反射镜10、第六反射镜11，第五反射镜10将射出光束偏振分束器7的探测光反射至第六反射镜11，第六反射镜11反射的探测光垂直射入稳频模块，通过第五反射镜10、第六反射镜11改变探测光的方向，以使其能够垂直射入稳频模块。其中，射入稳频模块的探测光、参考光束彼此平行。44.在一个具体的实施例中，第五反射镜10的反射面朝向光束偏振分束器7的出光侧，从出光侧发出的探测光，经第五反射镜10反射至第六反射镜11的反射面。第六反射镜11的反射面朝向稳频模块，通过第六反射镜11的反射作用将探测光反射至稳频模块。45.下面通过激光稳频装置的具体工作流程对激光稳频装置做进一步说明。46.在一个具体的实施例中，蒸汽室为钾蒸汽室，稳频模块为电控稳频系统。首先用镍铬加热器将钾蒸汽室加热到约90℃，以获得足够的钾原子蒸汽。然后让激光器出光，激光经过第二分光片1分出一小部分(约25mw)的激光束被分离出来到频率稳定系统，其余大部分的光进入实验操作。用于稳频的那一小部分光束通过第一反射镜2反射进入第一分光片3，然后被第一分光片3进一步分裂。其中功率较低的两束反射光为探测光束和参考光束，功率较高的透射光束(～20mw)为泵浦光束。参考光束经过第二反射镜12和第三反射镜13后进入电控稳频系统。泵浦光束通过第七反射镜4反射到半波片5，半波片5用来控制光的偏振状态，使其进入光束偏振分束器7时全部折射进钾蒸汽室。探测光束通过第二四分之一波片9与泵浦光束对准进入钾蒸气室，在蒸气室内获得无多普勒饱和吸收信号的探测光(探测光束经过第一四分之一波片8和第二四分之一波片9两个1/4波片，相当于经过了一个半波片5，再通过光束偏振分束器7可实现激光分光)，探测光依次通过第五反射镜10和第六反射镜11反射后被引入到电控稳频系统中。电控稳频系统通过接收到的参考光束信号与探测光信号之差来得到锁频信号，并将该锁频信号发送给激光器。47.有益效果：本实用新型的激光稳频装置通过第一分光片将激光分为泵浦光束、探测光束以及参考光束，通过第二光路使泵浦光束、探测光束从蒸汽室的相对两端对射入蒸汽室，得到无多普勒饱和吸收信号的探测光束，使经过蒸汽室的探测光束经分光后射入稳频模块，利用射入稳频模块的探测光束、参考光束生成锁频信号，从而实现激光频率的主动稳定，避免了需要加入外调制的问题，减少了调制与解调过程，简化了操作步骤，降低了制造成本和使用成本。48.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。49.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。









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