[发明专利]通信波段的超窄带激发态法拉第反常色散原子滤光方法

说明书

技术领域

本发明属于空间光通信技术领域，具体涉及一种通信波段的超窄带激发态法拉第反常色散原子滤光方法。

背景技术

滤光器的作用是从较强的宽带背景光中提取出微弱的窄带光信号，它是水下光通信、自由空间光通信、深空光通信、遥感、激光雷达、气象等各种应用技术中的核心关键器件之一。为了能够有效地抑制太阳辐射、黑体辐射以及由大气、海水等散射介质引起的散射光和海底生物发光等背景光噪声，保证接收系统有较高的信噪比，同时又能高效率地传输信号光，使得接收系统有较高的检测灵敏度，要求滤光器具有如下性能：窄带宽、高透射率、大视场角和较高的带外噪声抑制比，同时为了满足实时光通信的需要，要求系统有较快的时间响应度。

传统的滤光器如干涉滤光片，其通带宽度在10nm的量级；利用双折射效应做成的一些晶体滤光器，其滤光带宽与晶体的厚度成反比，增加晶体的厚度会大大缩小其接收立体角并增加通带内的损耗，难以同时满足窄带宽和高透射率的要求。总之，传统滤光器的性能远远不能满足目前实际应用的要求。

从上个世纪70年代开始，人们开始考虑利用原子的超窄带共振特性研制滤光器件，ARF(atom resonance filter，原子共振滤光器)便是其中之一。经过十余年的研究，用于激光雷达、水下通信、对潜通信、大气通信、深空通信等目的的ARF均有报道。但是随着ARF的发展，人们也逐渐发现了ARF的局限性,比如响应慢,不能用于成像等。

于1991年，一种新型的原子滤光器：法拉第反常色散滤光器（Faraday anomalous dispersion optical filter，FADOF）被研制出来。法拉第反常色散现象是指线偏振光在加有恒定纵向磁场的原子蒸汽中传播时，由于原子吸收线在磁场作用下发生分裂，对于左旋圆偏振（LCP）光和右旋圆偏振（RCP）光有不同的吸收和色散效应，造成原线偏振光偏振面会发生旋转。

FADOF由两个正交的偏振片和置于纵向磁场中的原子汽室构成，第一个偏振片用于起偏，原子蒸汽的共振法拉第效应使通带内的信号光的偏振面发生旋转，通过对温度和磁场的改变来控制旋转的角度，使通带内的信号光能够最大限度的透过用于检偏的第二个偏振片，而带外信号偏振面不变，于是被两片正交的格兰棱镜阻断。这便是FADOF滤光的基本原理。

FADOF的工作波段受限于原子的吸收线，其透射峰位置一般位于原子吸收线中心几个GHz的通带宽度内，主要由原子吸收线的展宽效应决定，如多普勒展宽、碰撞增宽等。为了制作某个所需波段的原子滤光器，必须找到这个目标波段内的原子吸收线。由于物质的基本物理特性限制，目前能够制作原子滤光器的主要是碱金属原子和部分碱土金属原子，因为这些原子的蒸汽可以在相对较低的温度下得到。原子的种类有限，这些原子的基态吸收线覆盖波段也无法很好的满足各种需要。但是原子的激发态跃迁覆盖波段就广泛得多了，因此激发态的原子滤光器成为后来的研究重点。

激发态原子滤光器的难点在于如何制备激发态的原子布居，因为正常状态下，原子都是处于能量最低的基态能级上，若想利用原子激发态制作滤光器，就必须通过外加能量把原子从基态激励到激发态上去。这一过程可以使用激光泵浦、原子灯泵或者微波激励等外加激励源实现。其中，激光作为激励源效率最高，准确度最好，可以尽量多的使原子处于目标激发态能级上。而原子灯或者微波激励比较不可控，都是将原子激发到某些高能级上后由原子向低能级随机掉落，会造成原子在多个能级都有布居，虽然也可以得到透射谱线，但是无法控制原子处于哪一个激发能级上，同时也会产生谱带非常宽的荧光干扰信号。

激光泵浦也有其缺点存在，即激光作为一种精确地泵浦方式，其激光波长必须准确地对准原子的基态能级跃迁，这就对激光的频率稳定性提出了较高的要求。因此使用激光泵浦的激发态原子滤光器必需包含泵浦激光稳频模块。目前使用的激光稳频模块有原子饱和吸收谱稳频和光学谐振腔稳频两大类，其共同点在于光路比较复杂，且对工作环境条件要求较高，适应性差，造成激发态原子滤光器的实用性较低。因此，如何针对这些缺陷，提供一种有效提高激发态原子滤光器的泵浦效率同时简化了激光稳频模块的激发态法拉第反常色散原子滤光器，已成为目前重点研究的技术方向。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：针对现有的激发态法拉第反常色散原子滤光器，如何有效提高激发态原子滤光器的泵浦效率，并克服因泵浦激光稳频模块导致的光路复杂、环境条件要求高、适应性差以及实用性低的问题。

（二）技术方案