1 引言
光泵磁共振實驗是近代物理實驗中的一個很有代表性的實驗。該實驗通過光抽運的方法, 使所研究的原子能級粒子分布產生重大變化; 此外, 通過利用抽運光作為光信號檢測,從而大大提高了信號強度和檢測靈敏度。利用這一方法可以研究原子精細、超精細能級結構, 以及測定朗德因子、地磁場強度等物理量, 為原子物理的實驗研究提供了一種有效的實驗技術手段。然而現在通常采用的光泵磁共振實驗裝置, 由于其光源是通過無極放電方式激勵銣原子泡發光。因而光源波長較單一、適用范圍窄, 一般只用于觀測與銣原子有關的共振信號。針對這一問題, 本文介紹一種新的光泵浦源。該光源采用半導體激光二極管作光源,通過外設電路控制可在一定范圍內對輸出光進行連續調節、掃描及調制; 置換不同中心波長的激光二極管, 可以對不同元素原子進行光激勵和光檢測。
2 高穩定、可調節半導體二極管激光泵浦源
半導體激光二極管以其體積小、重量輕、功耗小、價格低及便于調節、調制等特點, 在原子分子波譜學、量子計量學、光纖通信及量子頻標等領域得到廣泛的開發與應用。然而由于半導體激光二極管的工作波長及其穩定性與管的注入電流、工作溫度有著極其密切的聯系。通常半導體激光二極管的工作頻率隨注入電流及工作溫度的變化率分別為1~ 5GHz/ mA和10~3OGHz/ K。因此, 在某些應用中( 尤其是科學研究應用中) , 首先必須對管的注入電流及工作溫度進行穩定控制。此外, 由于激光管容易受電源開關瞬間及外來的浪涌電流和尖峰脈沖所損壞, 在管的控制電源部分還需加以濾波、穩壓及慢啟動等保護措施。在利用其進行光檢測方面, 由于隨著管的注入電流的改變( 尤其當激光管處于掃描工作狀態探測原子能級間躍遷信號時) , 管的輸出功率也將隨之發生變化, 從而使所獲得的檢測信號迭加在一個傾斜的背景上。為消除這一因素的影響, 還應對檢測信號進行差分放大。
半導體激光二極管工作電流( 注入電流) 調節與穩流控制基本原理如圖1 所示。該電路采用可調節基準電壓與激光管輸出功率( 與輸出波長相對應) 的反饋電壓相比較來實現激光管工作電流的調節與穩流。高穩定可調節基準電壓由精密電壓基準LM399 經線繞多圈電位器粗/ 細調提供; 反饋電壓則取自由激光管內置光電二極管輸出的功率監測電流流經取樣電阻上的壓降。此兩路電壓信號分別輸入至直流差分放大及積分放大, 然后控制穩流調整管的門。由該門調整連續流經激光管上的電流。對光源工作波長的掃描與調制一般是采用對激光管工作電流進行掃描和調制。因此, 在該注入電流穩定的積分放大部分設有掃描和調制信號的輸入。
激光二極管工作溫度的設置與恒溫控制如圖2 所示。其基本工作部分為: 由橋式溫度傳感器設置及探測激光管工作溫度變化, 并將測到的溫差信號轉變為電壓信號, 經差分放大,PID ( 比例 積分 微分) 控制器至驅動電路控制半導體致冷器加熱或致冷。為提高電路精度, 在基本部分基礎上加設了鎖相放大部分, 該部分由方波發生電路及四開關相敏檢波放大組成。半導體激光二極管工作電流及工作溫度控制的具體電路見。
對光信號的差分檢測采用圖3 所示的方式。將由光源出射的光分為兩束, 一束直接進入光電檢測器1; 另一事則經過待探測的原子泡室后再進入光電檢測器2, 所得兩路光電信號分別輸入到差分放大器, 適當調節兩組信號的強度比例, 則基本可去除四對激光管工作電流掃描引起的輸出信號上的傾斜功率背景。
實驗中, 我們采用Mitsubishi 公司的ML4XX2 系列( 也可用其它公司的相應產品) 的780nm 紅外激光管產生的激光激發銣原子吸收泡中的原子,通過檢測銣吸收泡透射光強的變化可觀測到銣原子的D2 線吸收譜線。圖5為實驗所觀測到的銣原子D2 線吸收譜。
4 結束語
本文介紹了一種可應用于光泵實驗的高穩定可調節激光泵浦源及其在銣原子線性吸收譜線觀察中的應用。根據實驗需要, 置換不同中心波長的激光二極管可對不同種類元素原子的精細或超精細能級躍遷譜線進行探測, 在配合磁裝置的條件下, 還可對其原子塞曼子能級結構進行研究。高穩定可調節半導體二極管激光及其應用的進一步研究仍在進行中。
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