[实用新型]一种主动式铷原子共振滤光器

说明书

本实用新型一种主动式铷原子共振滤光器(铷-Rb，原子共振滤光器-ARF)涉及光学、无线电电子学和原子、分子物理学，尤其适用于激光通信中的滤光器件。

滤光器件广泛应用于激光通信中，现有技术的状况是：

①传统的光学滤光片，由于宽的带宽和低的透过率，不能满足于激光通信白天工作的要求。

②已研究和演示的Rb-ARF，一是使用染料激光器或者半导体激光器作为激发Rb基态原子到5P激发态的泵浦源，还不具有实用性；二是使用纯Rb样品，转换效率较低。染料激光器或者半导体激光器泵浦的荧光型主动式Rb-ARF，尽管具有非常高的泵浦效率，但是，前者体积庞大，仅仅适合于在实验室里进行物理参数的确定和原子滤光特性的研究之用。后者的问题在于：a、国内没有合适Rb波长的半导体激光器商品可以获得，需要从国外购买；b、激光波长稳定性较差，不实用(这一点已经在原子频标里被证明，至今激光泵浦的原子频标仍然没能达到实用的阶段)。

③荧光型主动式铊ARF对于集居6²P_3/2原子亚稳态也使用了光谱灯进行泵浦，但是它的工作波长与Rb-ARF不相同，不能够直接取代Rb-ARF，并且，为了满足产生原子亚稳态的条件，铊蒸汽泡只能保持非常低的原子数密度，因此，输出信号强度受到限制。

由此可见，使用传统的光学滤光片，激光光通信系统只能在夜间工作。为了保证激光光通信能够在白天进行，则要求使用更高效率的滤光器件。与干涉滤光片(薄膜的、偏振的等)和双折射滤光片相比，ARF具有大的接收角、更窄的带宽和更高的滤光效率等特点。尽管目前的Rb-ARF使得激光光通信系统在白天也能正常工作，由于没有满足要求的商品器件可以获得，且传统设计方案直接用于激光通信仍然存在器件庞大、不实用或者转换效率比较低等问题。

本实用新型的目的就在于克服现有技术中存在的问题和不足，而研究和建造一种主动式、高效实用的Rb-ARF。

本实用新型的目的是这样实现的：

本实用新型使用无极放电Rb光谱灯泵浦的Rb-ARF。Rb光谱灯在Rb原子频标里的使用，已经表明了它的实用性：光谱纯度高、辐射频率稳定、体积小、寿命长、本实用新型易于与其他部件组合。对于Rb蒸汽泡，我们设计的主体尺寸为Φ18×40mm，并有一个Φ5×50mm的泡尾，其保证Rb蒸汽量子转换效率为28％。其波长与倍频Nd：YAG激光器(YAG晶体棒工作温度为102℃)的激光波长相吻合，两者的匹配是激光对潜通信的可选择方案之一。本实用新型主要由无极放电Rb光谱灯和原子蒸汽泡组成，其工作原理是：首先让无极放电Rb光谱灯Rb D₁或者D₂线光照射Rb蒸汽泡，使得Rb原子集居在5²P_1/2或者5²P_3/2激发态，Rb-ARF处于工作状态。当与Rb原子高激发态能级谱线相吻合的入射信号通过Rb蒸汽泡时，Rb原子吸收信号光子后从5P能级跃迁到高激发S或者D态，然后，激发态Rb原子辐射弛豫经nP态回到基态，通过原子内部转换，输出的原子荧光里包括信号的所有信息。在极窄原子线宽内产生高透过率，而对强的本底噪声产生高抑制。从5P能级到高激发S态或者D态的跃迁，其中特别令人感兴趣的是工作波长为532nm(5P_1/2-10S_1/2)的Rb-ARF，其响应时间为几百ns量级，理论的纯Rb原子蒸汽泡有一个长的工作寿命。加上双加热炉的设计，工作期间能够使得Rb蒸汽泡的原子数密度恒定。为了提高Rb-ARF的探测灵敏度，我们使用了Rb蒸汽加分子气体(H₂或者CO)的混合。

本实用新型的优点或者积极效果是：

①由于具有超窄线宽滤光特性，使得激光光通信系统在白天能够进行正常工作。

②使用无极放电Rb光谱灯作为泵浦源，减少了器件的体积和重量，简化了器件的结构，使得本实用新型具有实用性；②在原子共振滤光器(ARF)研究中，通常使用无掺杂样品。我们在研究原子与原子、分子碰撞能量转移的基础上，对泡加入合适压力H₂、CO气体，使得本实用新型在预定工作温度(130℃)下的7²P5²S_1/2荧光强度比使用纯Rb泡时分别增强6(使用H₂气体)和20倍(使用CO气体)、极大地提高了ARF探测灵敏度；因此，能够增加激光光通信的距离，或者增加激光对潜通信的海水深度。