一種通信波段的超窄帶激發態法拉第反常色散原子濾光器制造技術

本發明專利技術屬于空間光通信技術領域，具體涉及一種通信波段的超窄帶激發態法拉第反常色散原子濾光器。為有效提高激發態原子濾光器的泵浦效率，并克服因泵浦激光穩頻模塊導致的光路復雜、環境條件要求高、適應性差以及實用性低的問題，該濾光器去除了外置穩頻模塊，而是利用濾光器內部的Rb原子蒸汽吸收峰作為頻率標準，結構更加簡單，工作穩定性更好且效率更高，由于該方案結合多躍遷吸收帶的產生原理，采用非常具有針對性的穩頻方式，從而能夠得到很好的泵浦效果。

【技術實現步驟摘要】
一種通信波段的超窄帶激發態法拉第反常色散原子濾光器
本專利技術屬于空間光通信
，具體涉及一種通信波段的超窄帶激發態法拉第反常色散原子濾光器。
技術介紹
濾光器的作用是從較強的寬帶背景光中提取出微弱的窄帶光信號，它是水下光通信、自由空間光通信、深空光通信、遙感、激光雷達、氣象等各種應用技術中的核心關鍵器件之一。為了能夠有效地抑制太陽輻射、黑體輻射以及由大氣、海水等散射介質引起的散射光和海底生物發光等背景光噪聲，保證接收系統有較高的信噪比，同時又能高效率地傳輸信號光，使得接收系統有較高的檢測靈敏度，要求濾光器具有如下性能：窄帶寬、高透射率、大視場角和較高的帶外噪聲抑制比，同時為了滿足實時光通信的需要，要求系統有較快的時間響應度。傳統的濾光器如干涉濾光片，其通帶寬度在10nm的量級；利用雙折射效應做成的一些晶體濾光器，其濾光帶寬與晶體的厚度成反比，增加晶體的厚度會大大縮小其接收立體角并增加通帶內的損耗，難以同時滿足窄帶寬和高透射率的要求。總之，傳統濾光器的性能遠遠不能滿足目前實際應用的要求。從上個世紀70年代開始，人們開始考慮利用原子的超窄帶共振特性研制濾光器件，ARF(atomresonancefilter，原子共振濾光器)便是其中之一。經過十余年的研究，用于激光雷達、水下通信、對潛通信、大氣通信、深空通信等目的的ARF均有報道。但是隨著ARF的發展，人們也逐漸發現了ARF的局限性,比如響應慢,不能用于成像等。于1991年，一種新型的原子濾光器：法拉第反常色散濾光器（Faradayanomalousdispersionopticalfilter，FADOF）被研制出來。法拉第反常色散現象是指線偏振光在加有恒定縱向磁場的原子蒸汽中傳播時，由于原子吸收線在磁場作用下發生分裂，對于左旋圓偏振（LCP）光和右旋圓偏振（RCP）光有不同的吸收和色散效應，造成原線偏振光偏振面會發生旋轉。FADOF由兩個正交的偏振片和置于縱向磁場中的原子汽室構成，第一個偏振片用于起偏，原子蒸汽的共振法拉第效應使通帶內的信號光的偏振面發生旋轉，通過對溫度和磁場的改變來控制旋轉的角度，使通帶內的信號光能夠最大限度的透過用于檢偏的第二個偏振片，而帶外信號偏振面不變，于是被兩片正交的格蘭棱鏡阻斷。這便是FADOF濾光的基本原理。FADOF的工作波段受限于原子的吸收線，其透射峰位置一般位于原子吸收線中心幾個GHz的通帶寬度內，主要由原子吸收線的展寬效應決定，如多普勒展寬、碰撞增寬等。為了制作某個所需波段的原子濾光器，必須找到這個目標波段內的原子吸收線。由于物質的基本物理特性限制，目前能夠制作原子濾光器的主要是堿金屬原子和部分堿土金屬原子，因為這些原子的蒸汽可以在相對較低的溫度下得到。原子的種類有限，這些原子的基態吸收線覆蓋波段也無法很好的滿足各種需要。但是原子的激發態躍遷覆蓋波段就廣泛得多了，因此激發態的原子濾光器成為后來的研究重點。激發態原子濾光器的難點在于如何制備激發態的原子布居，因為正常狀態下，原子都是處于能量最低的基態能級上，若想利用原子激發態制作濾光器，就必須通過外加能量把原子從基態激勵到激發態上去。這一過程可以使用激光泵浦、原子燈泵或者微波激勵等外加激勵源實現。其中，激光作為激勵源效率最高，準確度最好，可以盡量多的使原子處于目標激發態能級上。而原子燈或者微波激勵比較不可控，都是將原子激發到某些高能級上后由原子向低能級隨機掉落，會造成原子在多個能級都有布居，雖然也可以得到透射譜線，但是無法控制原子處于哪一個激發能級上，同時也會產生譜帶非常寬的熒光干擾信號。激光泵浦也有其缺點存在，即激光作為一種精確地泵浦方式，其激光波長必須準確地對準原子的基態能級躍遷，這就對激光的頻率穩定性提出了較高的要求。因此使用激光泵浦的激發態原子濾光器必需包含泵浦激光穩頻模塊。目前使用的激光穩頻模塊有原子飽和吸收譜穩頻和光學諧振腔穩頻兩大類，其共同點在于光路比較復雜，且對工作環境條件要求較高，適應性差，造成激發態原子濾光器的實用性較低。因此，如何針對這些缺陷，提供一種有效提高激發態原子濾光器的泵浦效率同時簡化了激光穩頻模塊的激發態法拉第反常色散原子濾光器，已成為目前重點研究的技術方向。
技術實現思路
（一）要解決的技術問題本專利技術要解決的技術問題是：針對現有的激發態法拉第反常色散原子濾光器，如何有效提高激發態原子濾光器的泵浦效率，并克服因泵浦激光穩頻模塊導致的光路復雜、環境條件要求高、適應性差以及實用性低的問題。（二）技術方案為解決上述技術問題，本專利技術提供一種通信波段的超窄帶激發態法拉第反常色散原子濾光器，所述濾光器包括：半導體激光器1、激光隔離器2、耦合用二向色性鏡片3、分光用二向色性鏡片4、Rb原子蒸汽泡5、磁場發生器6、加熱器7、檢偏鏡8、起偏鏡9、780nm的四分之一波片10、偏振分光棱鏡11、第一光電探測器12、第二光電探測器13、差分器14以及穩頻伺服器15；所述半導體激光器1為可調諧的780nm半導體激光器，其用于提供Rb原子基態52S1/2到目標激發態52P3/2的泵浦激光；所述激光隔離器2用于確保泵浦激光信號單向透過，隔斷由后級光學器件上反射回來的光信號；所述耦合用二向色性鏡片3設置于所述檢偏鏡8與Rb原子蒸汽泡5之間，且位于所述激光隔離器2的透射光路上，其設置為對1529nm光高透射，并對780nm光高反射，其用于在把泵浦激光引入濾光器光路的同時盡可能減小信號光的損失；所述分光用二向色性鏡片4設置于所述Rb原子蒸汽泡5與起偏鏡9之間，且位于所述Rb原子蒸汽泡5的透射光路上，其設置為對1529nm光高透射，對780nm光高反射，其用于將泵浦光從濾光器光路中提取出來，以備在后級光路中進行穩頻，同時盡可能減小信號光的損失；所述Rb原子蒸汽泡5設置于所述耦合用二向色性鏡片3反射光路上，泡采用石英材料制作，其設置為在近紅外780nm和1529nm都具備高透射率；所述磁場發生器6設置于所述Rb原子蒸汽泡5上，其用于產生用于對Rb原子蒸汽泡5進行作用的外磁場信號；所述加熱器7設置于所述Rb原子蒸汽泡5上，其用于控制所述Rb原子蒸汽泡5的工作溫度；所述檢偏鏡8與起偏鏡9設置于所述Rb原子蒸汽泡5的光路兩端，所述檢偏鏡8與起偏鏡9設置為相互正交，所述起偏鏡9設置為允許線偏振的信號光透過，并使雜散光僅有一個線偏振分量透過；所述檢偏鏡8設置為通過與起偏鏡9相互正交來過濾掉經起偏鏡9透過的雜散光線偏振分量；所述780nm的四分之一波片10，其設置于所述分光用二向色性鏡片4的反射光路上，其用于將入射光信號的左旋圓偏振分量和右旋圓偏振分量分別變為波片主軸和副軸成一定角度方向上的線偏振光；所述偏振分光棱鏡11設置于所述四分之一波片10的出射路徑上，其用于將四分之一波片10出射的主軸和副軸方向上的線偏振光分束，在兩個方向上出射，從而將光信號的左旋圓偏振光和右旋圓偏振光分量分別提取出來；所述第一光電探測器12用于將把前述提取出的左旋圓偏振光轉化為第一電信號并輸出至差分器14；所述第二光電探測器13用于將把前述提取出的右旋圓偏振光轉化為第二電信號并輸出至差分器14；所述差分器14用于將輸入的第一電信號及第二電信號進行信號相減，生成頻率偏移信號；所述穩頻伺服器15用于根本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種通信波段的超窄帶激發態法拉第反常色散原子濾光器，其特征在于，所述濾光器包括：半導體激光器（1）、激光隔離器（2）、耦合用二向色性鏡片（3）、分光用二向色性鏡片（4）、Rb原子蒸汽泡（5）、磁場發生器（6）、加熱器（7）、檢偏鏡（8）、起偏鏡（9）、780nm的四分之一波片（10）、偏振分光棱鏡（11）、第一光電探測器（12）、第二光電探測器（13）、差分器（14）以及穩頻伺服器（15）；所述半導體激光器（1）為可調諧的780nm半導體激光器，其用于提供Rb原子基態52S1/2到目標激發態52P3/2的泵浦激光；所述激光隔離器（2）用于確保泵浦激光信號單向透過，隔斷由后級光學器件上反射回來的光信號；所述耦合用二向色性鏡片（3）設置于所述檢偏鏡（8）與Rb原子蒸汽泡（5）之間，且位于所述激光隔離器（2）的透射光路上，其設置為對1529nm光高透射，并對780nm光高反射，其用于在把泵浦激光引入濾光器光路的同時盡可能減小信號光的損失；所述分光用二向色性鏡片（4）設置于所述Rb原子蒸汽泡（5）與起偏鏡（9）之間，且位于所述Rb原子蒸汽泡（5）的透射光路上，其設置為對1529nm光高透射，對780nm光高反射，其用于將泵浦光從濾光器光路中提取出來，以備在后級光路中進行穩頻，同時盡可能減小信號光的損失；所述Rb原子蒸汽泡（5）設置于所述耦合用二向色性鏡片（3）反射光路上，泡采用石英材料制作，其設置為在近紅外780nm和1529nm都具備高透射率；所述磁場發生器（6）設置于所述Rb原子蒸汽泡（5）上，其用于產生用于對Rb原子蒸汽泡（5）進行作用的外磁場信號；所述加熱器（7）設置于所述Rb原子蒸汽泡（5）上，其用于控制所述Rb原子蒸汽泡（5）的工作溫度；所述檢偏鏡（8）與起偏鏡（9）設置于所述Rb原子蒸汽泡（5）的光路兩端，所述檢偏鏡（8）與起偏鏡（9）設置為相互正交，所述起偏鏡（9）設置為允許線偏振的信號光透過，并使雜散光僅有一個線偏振分量透過；所述檢偏鏡（8）設置為通過與起偏鏡（9）相互正交來過濾掉經起偏鏡（9）透過的雜散光線偏振分量；所述780nm的四分之一波片（10），其設置于所述分光用二向色性鏡片（4）的反射光路上，其用于將入射光信號的左旋圓偏振分量和右旋圓偏振分量分別變為波片主軸和副軸成一定角度方向上的線偏振光；所述偏振分光棱鏡（11）設置于所述四分之一波片（10）的出射路徑上，其用于將四分之一波片（10）出射的主軸和副軸方向上的線偏振光分束，在兩個方向上出射，從而將光信號的左旋圓偏振光和右旋圓偏振光分量分別提取出來；所述第一光電探測器（12）用于將把前述提取出的左旋圓偏振光轉化為第一電信號并輸出至差分器（14）；所述第二光電探測器（13）用于將把前述提取出的右旋圓偏振光轉化為第二電信號并輸出至差分器（14）；所述差分器（14）用于將輸入的第一電信號及第二電信號進行信號相減，生成頻率偏移信號；所述穩頻伺服器（15）用于根據所述頻率偏移信號，生成反饋給所述半導體激光器（1）的控制信號，所述控制信號用于調整半導體激光器（1）的工作頻率，修正頻率偏移，從而將激光波長鎖定在泵浦效率最大的位置上。...

【技術特征摘要】
1.一種通信波段的超窄帶激發態法拉第反常色散原子濾光器，其特征在于，所述濾光器包括：半導體激光器(1)、激光隔離器(2)、耦合用二向色性鏡片(3)、分光用二向色性鏡片(4)、Rb原子蒸汽泡(5)、磁場發生器(6)、加熱器(7)、檢偏鏡(8)、起偏鏡(9)、780nm的四分之一波片(10)、偏振分光棱鏡(11)、第一光電探測器(12)、第二光電探測器(13)、差分器(14)以及穩頻伺服器(15)；所述半導體激光器(1)為可調諧的780nm半導體激光器，其用于提供Rb原子基態52S1/2到目標激發態52P3/2的泵浦激光；所述激光隔離器(2)用于確保泵浦激光信號單向透過，隔斷由后級光學器件上反射回來的光信號；所述耦合用二向色性鏡片(3)設置于所述檢偏鏡(8)與Rb原子蒸汽泡(5)之間，且位于所述激光隔離器(2)的透射光路上，其設置為對1529nm光高透射，并對780nm光高反射，其用于在把泵浦激光引入濾光器光路的同時盡可能減小信號光的損失；所述分光用二向色性鏡片(4)設置于所述Rb原子蒸汽泡(5)與起偏鏡(9)之間，且位于所述Rb原子蒸汽泡(5)的透射光路上，其設置為對1529nm光高透射，對780nm光高反射，其用于將泵浦光從濾光器光路中提取出來，以備在后級光路中進行穩頻，同時盡可能減小信號光的損失；所述Rb原子蒸汽泡(5)設置于所述耦合用二向色性鏡片(3)反射光路上，泡采用石英材料制作，其設置為在近紅外780nm和1529nm都具備高透射率；所述磁場發生器(6)設置于所述Rb原子蒸汽泡(5)上，其用于產生用于對Rb原子蒸汽泡(5)進行作用的外磁場信號；選擇磁場工作在450G到600G之間，此時Rb原子的52S1/2(F＝2)→52P3/2躍遷帶的低頻漂移分裂帶與52S1/2(F＝3)→52P3/2躍遷的高頻漂移分裂帶重合，甚至可以形成比磁致分裂前更強的吸收線；所述加熱器(7)設置于所述Rb原子蒸汽泡(5)上，其用于控制所述Rb原子蒸汽泡(5)的工作溫度；所述檢偏鏡(8)與起偏鏡(9)設置于所述Rb原子蒸汽泡(5)的光路兩端，所述檢偏鏡(8)與起偏鏡(9)設置為相互正交，所述起偏鏡(9)設置為允許線偏振的信號光透過，并使雜散光僅有一個線偏振分量透過；所述檢偏鏡(8)設置為...

【專利技術屬性】
技術研發人員：郭弘，張建瑋，羅斌，黨安紅，尹龍飛，
申請(專利權)人：北京大學，
類型：發明
國別省市：