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量子標準激光功率計及激光功率測量方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201410133452.7

申請日:

2014.04.03

公開號:

CN103954354A

公開日:

2014.07.30

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G01J 1/00申請日:20140403|||公開
IPC分類號: G01J1/00 主分類號: G01J1/00
申請人: 北京大學
發明人: 郭弘; 彭翔; 陳景標
地址: 100871 北京市海淀區頤和園路5號北京大學
優先權:
專利代理機構: 北京君尚知識產權代理事務所(普通合伙) 11200 代理人: 余長江
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201410133452.7

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2016.02.10|||2014.08.27|||2014.07.30

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明提供一種量子標準激光功率計,包括:功率待測激光器,能將待測激光的頻率鎖定;量子頻率標準,由能級之間量子躍遷波長與待測激光波長相差不超過±100nm的原子、分子或離子構建;所述功率待測激光器能夠將待測激光器發出的待測激光引入量子頻率標準。還提供了一種量子標準激光功率計的實現方法,其步驟包括:1)將功率待測激光器發出的待測激光的頻率鎖定;2)將頻率鎖定的功率待測激光器發出的部分待測激光引入到量子頻率標準;3)利用量子頻率標準產生的光頻移,測量出待測激光的平均光強,通過標定得到待測激光功率。本發明通過精密測量光頻移,通過確定理論關系,測量出待測激光光強,并得到相應的激光功率,其相對準確度可以優于10-7量級。

權利要求書

權利要求書
1.  一種量子標準激光功率計,其特征在于,包括:
一功率待測激光器,用以將待測激光的頻率鎖定;
一量子頻率標準,由能級之間量子躍遷波長與待測激光波長相差不超過±100nm的原子、分子或離子構建;
所述功率待測激光器將待測激光器發出的待測激光引入量子頻率標準。

2.  如權利要求1所述的量子標準激光功率計,其特征在于,所述量子頻率標準為主動型或被動型。

3.  如權利要求1所述的量子標準激光功率計,其特征在于,所述量子頻率標準為一微波段量子銣原子頻率標準,包括一銣87無極燈,一銣85濾光泡,一磁屏蔽罩,一銣87鐘泡,一濾光片,一探測器,一伺服電路,一射頻發生器及一輸出顯示器。

4.  如權利要求3所述的量子標準激光功率計,其特征在于,所述濾光片用以濾除待測激光。

5.  如權利要求3或4所述的量子標準激光功率計,其特征在于,所述功率待測激光器為一功率待測795nm激光器,包括一銣85汽泡,一銣85飽和譜探測器,一飽和譜鎖頻電路及若干分光鏡和反射鏡。

6.  如權利要求1所述的量子標準激光功率計,其特征在于,所述功率待測激光器選自功率待測780nm激光器、功率待測421nm激光器或功率待測420nm激光器中的一種。

7.  一種應用權利要求1-6任一項所述量子標準激光功率計的激光功率測量方法,其步驟包括:
1)將功率待測激光器發出的待測激光的頻率鎖定;
2)將頻率鎖定的功率待測激光器發出的部分待測激光引入到量子頻率標準;
3)利用量子頻率標準產生的光頻移,測量出待測激光的平均光強,通過標定得到待測激光功率。

說明書

說明書量子標準激光功率計及激光功率測量方法
技術領域
本發明屬于激光與量子頻率標準技術領域,涉及一種利用原子頻率標準測量在激光作用下產生的原子光頻移來精密測量激光功率的計量儀器及激光功率測量方法。
背景技術
目前的光功率計和激光功率計基本都是基于光電二極管這種光電轉換器件來實現對光功率的測量和標定。包括目前國際基本單位中光源的發光強度單位坎德拉的定義,也是依靠光電轉換器件測量光功率來實現,其測量的不確定度目前只有10-4量級。
另一方面,在量子頻率標準(能利用量子躍遷頻率產生標準頻率信號用來進行頻率和時間測量的計量裝置),即原子鐘方面,頻率值的測量穩定度和不確定度已經到了10-18量級。在量子頻率標準系統里,原子鐘的躍遷頻率受到外界光輻射時會產生頻率移動,被稱為光頻移。這種光頻移與外界所加激光光強具有確定關系。
原子與相應波長的電磁波相互作用產生的譜線中心頻率v0,決定于原子量子躍遷的上、下兩能級的能量差Em-En=hv0,在此,h是普朗克常數。因為原子的內部狀態不易受外界環境因素干擾,所以其躍遷頻率具有高度穩定性,用于實現量子頻率標準,即原子鐘。
量子頻率標準基本可分為被動型和主動型兩種。
①被動型量子頻率標準:依靠外加電磁波激勵使原子產生能級躍遷譜線來鎖定的量子頻率標準。按這種被動型方式工作的典型頻標有銫原子束頻標,光抽運銣氣泡頻標等。
②主動型量子頻率標準:直接由被泵浦到激發態形成粒子布居數反轉的原子系統在諧振腔的反饋下產生的受激發射的振蕩信號為標準頻率源。被稱為主動氫鐘的氫原子激射振蕩器頻標是這類的典型。
激光頻率梳問世以后,已經出現了多種利用鈣、鍶、汞等原子及離子的可見光波段的吸收譜線來穩定激光頻率的方法,即近年來迅速發展起來的光鐘,最好的光鐘頻率值的測量穩定度和不確定度已經到了10-18量級。
量子頻標或原子鐘的主要性能指標是頻率穩定度和準確度。頻率穩定度指在一定的取樣時間內,每次取樣時間內的平均頻率之間的相對數值變化程度,可分為短期(取樣時間一天以下)和長期(取樣時間一天以上)穩定度。頻率準確度有稱為不確定度,指輸出頻率偏離標稱頻率的程度,也用相對偏差表示。參考書目:P.Kartaschoff,Frequency and Time,Academc Press, New York,London,San Francisco,1978;王義遒等著:《量子頻標原理》,科學出版社,北京,1985;劉金銘、翟造成編:《現代計時學概論》,上海科學技術文獻出版社,上海,1980。)
但是,目前已有文獻資料中從來沒有關于利用量子頻率標準提高和實現激光功率計的測量精度的記載。
發明內容
為解決現有激光功率計測量不確定度低的問題,本發明的目的在于利用原子鐘的超高精度頻率測量優越性,提供一種量子標準激光功率計及激光功率測量方法。通過精密測量與外界所加激光光強具有確定關系的光頻移,從而測量出所加激光光強,并得到相應的激光功率,實現一種量子激光功率計,其相對準確度可以優于10-7量級。
為實現上述目的,本發明采用如下技術方案:
一種量子標準激光功率計,其包括:
一功率待測激光器,用以將待測激光的頻率鎖定;
一量子頻率標準,由能級之間量子躍遷波長與待測激光波長相差不超過±100nm的原子、分子或離子構建;
所述功率待測激光器將待測激光器發出的待測激光引入量子頻率標準。
進一步地,所述量子頻率標準為主動型或被動型。
進一步地,所述量子頻率標準為一微波段量子銣原子頻率標準,其包括一銣87無極燈,一銣85濾光泡,一磁屏蔽罩,一銣87鐘泡,一濾光片,一探測器,一伺服電路,一射頻發生器及一輸出顯示器。
進一步地,所述濾光片用以濾除待測激光。
進一步地,所述功率待測激光器為一功率待測795nm激光器,包括一銣85汽泡,一銣85飽和譜探測器,一飽和譜鎖頻電路及若干分光鏡和反射鏡。
進一步地,所述功率待測激光器還可以選自功率待測780nm激光器、功率待測421nm激光器或功率待測420nm激光器。
進一步地,所述量子頻率標準還可以由其他能級之間量子躍遷波長與待測激光波長接近的原子、分子或離子構建;如銫原子852nm波長、鍶原子461nm波長、堿土金屬鈣423nm你喔長、碘分子532nm波長、鈣離子7229nm波長等。
本發明還提供了一種應用前述量子標準激光功率計的激光功率測量方法,其步驟包括:
1)將功率待測激光器發出的待測激光的頻率鎖定;
2)將頻率鎖定的功率待測激光器發出的部分待測激光引入到量子頻率標準;
3)利用量子頻率標準產生的光頻移,測量出待測激光的平均光強,通過標定得到待測激光功率。
本發明利用了原子鐘的超高精度頻率測量準確性,通過精密測量原子鐘受外界所加激光光強引起的光頻移,通過確定理論關系,從而測量出待測激光光強,并得到相應的激光功率,實現一種量子標準激光功率計,其相對準確度可以優于10-7量級。
本發明的有益效果是:第一,把光功率的測量按原子譜線的光頻移理論轉換為目前國際上準確度最好的頻率測量,極大地提高了光強測量的靈敏度,還可以通過各種標定技術得到光功率,實現光功率的量子測量和標準;第二,目前原子鐘的頻率穩定度已經到了10-18量級,將待測功率的激光所引起的光頻移鎖定在另一個高性能原子鐘上,就可以實現對激光功率10-7量級甚至更好的功率穩定度。
附圖說明
圖1,本發明實施例結構示意圖。
圖中:1-銣87無極燈;2-銣85濾光泡2;3-分光鏡;4-銣87鐘泡;5-濾光片;6-探測器;7-伺服電路;8-射頻微波發生器;9-輸出顯示器;10-磁屏蔽罩;11-功率待測795nm激光器;12-飽和譜鎖頻電路;13-銣85汽泡;14-銣85飽和譜探測器;31-分光鏡;32-分光鏡;33-反射鏡。
具體實施方式
為使本發明的上述特征和優點能更明顯易懂,下文特舉實施例,并配合所附圖作詳細說明如下。
圖1為本發明一種量子標準激光功率計的實施例結構示意圖。該量子標準激光功率計包括:一微波段量子銣原子頻率標準,其包括銣87無極燈1,銣85濾光泡2,磁屏蔽罩10,銣87鐘泡4,濾光片5,探測器6,伺服電路7,射頻微波發生器8,輸出顯示器9。一功率待測795nm激光器11,其包括銣85汽泡13,銣85飽和譜探測器14,飽和譜鎖頻電路12,分光鏡32、31、3,和反射鏡33。
在量子標準激光功率計中的一個微波段量子銣原子頻率標準,其銣87無極燈1所發射的熒光,通過銣85濾光泡2濾光后,進入到磁屏蔽罩10中的銣87鐘泡4上與銣原子相互作用,出來后經過濾光片5進入探測器6上產生電信號,濾光片5能夠濾除待測激光,從未不影響微波段量子銣原子頻率標準的正常工作。探測器6上產生電信號經過伺服電路7來控制射頻 微波發生器8產生的與原子泡4中原子相互作用的頻率,將射頻微波發生器8產生的射頻微波頻率鎖定在原子泡4中原子的基態能級之間的微波頻率上,同時在頻率輸出顯示器9上顯示出給用戶的原子鐘標準頻率。功率待測795nm的激光器11通過銣85汽泡13得到銣85飽和譜并在探測器14上得到誤差信號,此誤差信號經過飽和譜鎖頻電路12反饋給795nm的激光器11將其頻率鎖定在銣85的原子譜線上,具體地,利用銣85汽泡所產生的飽和譜,將功率待測激光器頻率鎖定在銣85的基態5S(F=2)到5P1/2(F’=2)譜線上;光路上的分光鏡32、31、3,和反射鏡33分別用于795nm的激光光束的分光和反射。通過前述分光鏡32、31、3和反射鏡33的引導,待測激光能夠引入銣87鐘泡。
當功率待測795nm的激光器輸出的激光沒有進入銣87鐘泡4時,輸出顯示器9輸出的原子鐘標準頻率對應著零激光功率。一旦待測795nm的激光器輸出的激光有一定功率進入銣87鐘泡4,輸出顯示器9輸出的原子鐘標準頻率將顯示出偏離原子鐘標準頻率的光頻移,這個顯示的光頻移值對應著待測795nm激光的激光功率。這樣就利用了原子鐘的超高精度頻率測量準確性,準確測量到795nm激光光強引起的光頻移,通過已有確定理論關系計算,從而測量出待測795nm激光光強,由光束空間分布得到相應的激光功率,實現一種量子標準激光功率計,其相對準確度可以優于10-7量級。
上述微波段量子銣原子頻率標準通過輸出顯示器9顯示待測激光引起的光頻移的頻率變化相對值,并可以通過標定,直接輸出待測確定頻率的待測激光功率值。
上述待測795nm激光器11帶有其自已的電流、溫度、壓電掃描控制電路,用于激光穩頻等,所用的激光電流、溫度控制、穩頻電路均為本領域公知技術,因此不再贅述。
必須注意,上述的本發明最主要的特點和優越性能把光功率的測量按原子譜線的已知明確光頻移理論關系轉換為目前國際上準確度最好的頻率測量技術可以測量的量,提高了光強測量的靈敏度,并可以通過已有光度計相關的各種標定技術得到光功率,實現光功率的量子測量和標準。此外,目前原子鐘的頻率穩定度已經到了10-18量級,將待測功率的激光所引起的光頻移鎖定在另一個高性能原子鐘上,還可以可以實現對激光功率10-7量級甚至更好的功率穩定。
上述實施例僅是為了說明本發明的工作原理,而非用于限制本發明的范圍。具體地,本發明適用銣原子、銫原子等堿金屬原子等對應的基態與第一、第二激發態之間的躍遷能級來實現量子標準激光功率計,也適用于堿土金屬鈣、鍶原子,氣體原子氦、氖等以及具有與待測激光波長接近的分子離子來實現。例如,使用銫原子構建相應的量子頻率標準能夠可以測量具有波長為455nm、459nm、852nm及894nm的待測激光,利用氦原子可以測量與原子躍遷譜線1083nm接近的1064nm等波長激光的功率,其量子頻率標準的實現及構建方式,與構 建量子頻率標準的原子、分子或離子具有的能級之間量子躍遷波長接近(即相差不超過±100nm)的相應待測激光波長等數據,均為已經公知的現有技術,為本領域技術人員所熟知,因此不再贅述。本領域技術人員應當理解,對本發明技術方案進行修改或同等替換,并不能使修改后的技術方案脫離本發明技術方案的精神與范圍。因此,本發明的保護范圍已權利要求書所限定者為準。

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量子 標準 激光 功率 測量方法
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