專利名稱：一種原子冷卻囚禁光源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種原子冷卻囚禁光源裝置。
背景技術(shù)：
磁光阱是一種囚禁中性原子的有效手段，在冷原子物理實驗、量子光學(xué)和量子信息等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。為了保證磁光阱中的原子以任意一個初始速度方向運行時都能被減速(冷卻)，通常磁光阱中會采用在三維空間兩兩相對的原子冷卻囚禁光源。現(xiàn)有的原子冷卻囚禁光源通常采用Littrow結(jié)構(gòu)的激光器，該激光器通常包括半導(dǎo)體激光管、準直透鏡、衍射光柵和反射鏡。半導(dǎo)體激光管發(fā)出的激光經(jīng)準直透鏡準直后，入射在衍射光柵上，衍射光柵的一級衍射光與入射光共線反向沿原路返回到半導(dǎo)體激光管中，衍射光柵的零級衍射或鏡反射光作為輸出光輸出。在該結(jié)構(gòu)的激光器中，激光波長或頻 率的調(diào)諧是通過轉(zhuǎn)動衍射光柵，改變衍射光柵對光線的入射和衍射角實現(xiàn)的。在轉(zhuǎn)動光柵的過程中，作為輸出光的光柵鏡反射光的方向也將隨之改變。為了消除輸出光束的方向變化，人們采用了附加的與衍射光柵平行的反射鏡。在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下問題現(xiàn)有的原子冷卻囚禁光源容易受到外界環(huán)境的影響，從而引起其輸出頻率的變化，對于對頻率穩(wěn)定度要求很高的重力梯度儀等高精度設(shè)備而言，現(xiàn)有的冷卻囚禁光源不能滿足要求。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的激光器的輸出頻率穩(wěn)定度不夠，不能滿足高精度設(shè)備需求的問題，本發(fā)明實施例提供了一種原子冷卻囚禁光源裝置。所述技術(shù)方案如下本發(fā)明實施例提供了一種原子冷卻囚禁光源裝置，所述裝置包括光源主體，所述光源主體包括半導(dǎo)體激光管、準直透鏡、衍射光柵和反射鏡；所述裝置還包括用于調(diào)整所述光源主體的輸出信號頻率的壓電晶體驅(qū)動器、用于供所述光源主體輸出的激光通過的無源腔、用于檢測透過所述無源腔的激光的強度并產(chǎn)生第一光檢信號的第一光電檢測單元、用于檢測所述光源主體輸出的激光的強度并產(chǎn)生第二光檢信號的第二光電檢測單元、用于根據(jù)所述第一光電檢測單元輸出的第一光檢信號和所述第二光電檢測單元輸出的第二光檢信號輸出第一壓控信號到所述壓電晶體驅(qū)動器的伺服單元。優(yōu)選地，所述伺服單元包括運算放大器，用于對所述第一光電檢測單元輸出的第一光檢信號和所述第二光電檢測單元輸出的第二光檢信號實施差分放大，并采用預(yù)設(shè)的斜率調(diào)節(jié)電平對差分放大結(jié)果進行補償，以輸出所述第一壓控信號。優(yōu)選地，所述裝置還包括用于檢測透過所述無源腔的激光的強度并產(chǎn)生第三光檢信號的第三光電檢測單元、用于產(chǎn)生同步參考信號和調(diào)制信號的調(diào)制信號發(fā)生器、用于采用所述同步參考信號對所述第三光電檢測單元輸出的第三光檢信號進行相敏檢波并輸出第二壓控信號至所述壓電晶體驅(qū)動器的相檢波單元。
進一步地，所述裝置還包括分頻器，用于將所述調(diào)制信號發(fā)生器輸出的調(diào)制信號先進行三分頻，再施加于所述壓電晶體驅(qū)動器。具體地，所述第一光電檢測單元、所述第二光電檢測單元和所述第三光電檢測單元均為光電倍增管。本發(fā)明實施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是通過對光源主體的輸出信號頻率與同一光源主體的輸出信號經(jīng)無源腔后獲得的信號進行頻率鑒頻，獲得相應(yīng)的第一壓控信號反饋至光源主體，使其輸出頻率發(fā)生變化，從而提高其輸出頻率的穩(wěn)定度，滿足高精度設(shè)備的要求。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。 圖I是本發(fā)明實施例I提供的原子冷卻囚禁光源裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述。實施例I本發(fā)明實施例提供了一種原子冷卻囚禁光源裝置，參見圖1，該裝置包括光源主體I、無源腔2、第一光電檢測單元3、第二光電檢測單元4、伺服單元5。其中，光源主體I采用Littrow結(jié)構(gòu)的激光器，其包括半導(dǎo)體激光管、準直透鏡、衍射光柵、反射鏡和用于光源主體的輸出信號頻率的壓電晶體驅(qū)動器la。其具體結(jié)構(gòu)為本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知，在此省略詳細描述。該壓電晶體驅(qū)動器Ia可以是安裝反射鏡的壓電陶瓷片，由于它的電致伸縮特性，當在其被施加不同的電壓時，會使腔長發(fā)生改變，從而引起光源輸出頻率的變化。具體地，無源腔為一個金屬螺旋腔體，用于對輸入的激光信號進行選頻輸出。優(yōu)選地，衍射光柵和反射鏡可以安裝在同一面板上，采用這種一體式設(shè)計，可以避免衍射光柵和反射鏡分開安裝時，機械不穩(wěn)定性導(dǎo)致的光源的輸出頻率的不穩(wěn)定性。其中，伺服單元5分別與第一光電檢測單元3、第二光電檢測單元4和壓電晶體驅(qū)動器Ia電連接。光源主體2發(fā)出的激光透過無源腔2后，第一光電檢測單元3檢測該透過無源腔2的激光的強度并產(chǎn)生第一光檢信號；第二光電檢測單元4用于檢測光源主體I輸出的激光的強度并產(chǎn)生第二光檢信號；伺服單元5用于根據(jù)第一光電檢測單元3輸出的第一光檢信號和第二光電檢測單元4輸出的第二光檢信號，輸出第一壓控信號到壓電晶體驅(qū)動器la，從而可以鎖定光源主體2的輸出信號頻率，提高其短期穩(wěn)定度。優(yōu)選地，在本實施例中，伺服單元5采用運算放大器，用于對第一光電檢測單元3輸出的第一光檢信號和第二光電檢測單元4輸出的第二光檢信號實施差分放大，并采用預(yù)設(shè)的斜率調(diào)節(jié)電平對差分放大結(jié)果進行補償，以輸出第一壓控信號。針對某一光源主體，通過選擇合適的斜率調(diào)節(jié)電平，可以將該光源主體輸出的信號頻率鎖定在無源腔2的腔諧振頻率曲線的斜率最大值fk處。也就是說，當光源主體I輸出的信號頻率f = fk時，伺服單元輸出的第一壓控信號的電壓為O，而當光源主體I輸出的信號頻率€ > fk (f < fk)時，第一壓控信號的電壓為一反向的負(正)值直流電平，最終使光源主體輸出頻率鎖定在f =fk。由于該斜率最大值fk遠離無源腔的中心頻率，該處離中心頻率較遠，頻率單一性好，所以將光源主體輸出頻率鎖定在f = fk處，可以進一步提高光源主體的輸出信號頻率的穩(wěn)定度。具體地，該斜率調(diào)節(jié)電平的大小可以根據(jù)腔諧振頻率曲線確定，通過開環(huán)模式下，掃描激光器輸出頻率，檢測激光通過無源腔后的光強大小，在現(xiàn)有伺服電路的基礎(chǔ)上，可以獲得一個糾偏電平作用于壓電晶體?，F(xiàn)有伺服技術(shù)中，當激光頻率對準無源腔中心頻率時，經(jīng)伺服電路后將獲得O電平，不會引起壓電晶體驅(qū)動器變化。本專利中引入的調(diào)節(jié)電平由一個A / D產(chǎn)生，當激光頻率對準譜線斜率最大值點時，經(jīng)傳統(tǒng)伺服電路后將獲得一個不為O的電平，本專利此時加入一個運算放大器工作于差分模式，用剛才A / D產(chǎn)生的直流電平與傳統(tǒng)伺服電路產(chǎn)生的不為O電平進行補償，從而最終使輸出為O電平。顯然當激光頻率位于無源腔中心頻率時，傳統(tǒng)伺服電路輸出為0，而本專利此時伺服電路輸出并不為O。 容易知道，也可以將光源主體的輸出頻率鎖定在無源腔的中心頻率上，此為本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知，在此省略詳細描述。優(yōu)選地，本實施例的裝置還包括第三光電檢測單元6、調(diào)制信號發(fā)生器7和相檢波單元8。其中，調(diào)制信號發(fā)生器7分別與相檢波單元8和壓電晶體驅(qū)動器Ia電連接；相檢波單元8分別與第三光電檢測單元6和壓電晶體驅(qū)動器Ia電連接。第三光電檢測單元6用于檢測透過無源腔2的激光的強度并產(chǎn)生第三光檢信號；調(diào)制信號發(fā)生器7用于產(chǎn)生同步參考信號和調(diào)制信號；相檢波單元8用于采用同步參考信號對第三光電檢測單元輸出的第三光檢信號進行相敏檢波，并輸出第二壓控信號至所述壓電晶體驅(qū)動器la，從而引起光源輸出頻率的變化，提高光源主體的輸出信號頻率的長期穩(wěn)定度。優(yōu)選地，本實施例的裝置還包括分頻器9，該分頻器9連接在調(diào)制信號發(fā)生器7和壓電晶體驅(qū)動器Ia之間，用于將調(diào)制信號發(fā)生器7輸出的調(diào)制信號先進行三分頻，再施加于壓電晶體驅(qū)動器7。具體地，第一光電檢測單元3、第二光電檢測單元4和第三光電檢測單元6均可以采用光電倍增管。容易知道，在具體實現(xiàn)中，第一光電檢測單元3和第三光電檢測單元6可以采用同一部件。本發(fā)明實施例通過對光源主體的輸出信號頻率與同一光源主體的輸出信號經(jīng)無源腔后獲得的信號進行頻率鑒頻，獲得相應(yīng)的第一壓控信號反饋至光源主體，使其輸出頻率發(fā)生變化，從而提高其輸出頻率的穩(wěn)定度，滿足高精度設(shè)備的要求。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解實現(xiàn)上述實施例的全部或部分步驟可以通過硬件來完成，也可以通過程序來指令相關(guān)的硬件完成，所述的程序可以存儲于一種計算機可讀存儲介質(zhì)中，上述提到的存儲介質(zhì)可以是只讀存儲器，磁盤或光盤等。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.ー種原子冷卻囚禁光源裝置，所述裝置包括光源主體，所述光源主體包括半導(dǎo)體激光管、準直透鏡、衍射光柵和反射鏡，其特征在于，所述裝置還包括 用于調(diào)整所述光源主體的輸出信號頻率的壓電晶體驅(qū)動器、用于供所述光源主體輸出的激光通過的無源腔、用于檢測透過所述無源腔的激光的強度并產(chǎn)生第一光檢信號的第一光電檢測単元、用于檢測所述光源主體輸出的激光的強度并產(chǎn)生第二光檢信號的第二光電檢測單元、用于根據(jù)所述第一光電檢測單元輸出的第一光檢信號和所述第二光電檢測単元輸出的第二光檢信號輸出第一壓控信號到所述壓電晶體驅(qū)動器的伺服單兀。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述伺服単元包括 運算放大器，用于對所述第一光電檢測單元輸出的第一光檢信號和所述第二光電檢測單元輸出的第二光檢信號實施差分放大，并采用預(yù)設(shè)的斜率調(diào)節(jié)電平對差分放大結(jié)果進行補償，以輸出所述第一壓控信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括 用于檢測透過所述無源腔的激光的強度并產(chǎn)生第三光檢信號的第三光電檢測単元、用于產(chǎn)生同步參考信號和調(diào)制信號的調(diào)制信號發(fā)生器、用于采用所述同步參考信號對所述第三光電檢測單元輸出的第三光檢信號進行相敏檢波并輸出第二壓控信號至所述壓電晶體驅(qū)動器的相檢波單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括 分頻器，用于將所述調(diào)制信號發(fā)生器輸出的調(diào)制信號先進行三分頻，再施加于所述壓電晶體驅(qū)動器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述第一光電檢測単元、所述第二光電檢測單元和所述第三光電檢測単元均為光電倍増管。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述衍射光柵和所述反射鏡安裝在同一面板上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種冷卻囚禁光源裝置，屬于激光器技術(shù)領(lǐng)域。所述裝置包括光源主體，所述光源主體包括半導(dǎo)體激光管、準直透鏡、衍射光柵和反射鏡，所述裝置還包括用于調(diào)整所述光源主體的輸出信號頻率的壓電晶體驅(qū)動器、用于供光源主體輸出的激光通過的無源腔、用于檢測透過無源腔的激光的強度并產(chǎn)生第一光檢信號的第一光電檢測單元、用于檢測所述光源主體輸出的激光的強度并產(chǎn)生第二光檢信號的第二光電檢測單元、用于根據(jù)所述第一光電檢測單元輸出的第一光檢信號和所述第二光電檢測單元輸出的第二光檢信號輸出第一壓控信號到所述壓電晶體驅(qū)動器的伺服單元。本發(fā)明的冷卻囚禁光源裝置的輸出信號頻率穩(wěn)定度高，可以滿足高精度設(shè)備的要求。
文檔編號H01S5/0687GK102769250SQ20121022472
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月2日
發(fā)明者涂娟, 王謹, 詹明生 申請人:中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所