专利名称：基于原子气体样品池内表面反射的饱和吸收谱方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光光谱学技术领域，尤其涉及一种基于原子气体样品池内表面反射 的饱和吸收谱方法及其装置。
背景技术：
外腔半导体激光器问世以后，其波长大范围连续可调的特性能满足很多种不同实 验的要求，因此被广泛使用。相应的，半导体激光器的稳频技术也得到极大发展，比如饱和 吸收谱内调制稳频方法、偏振光谱谱稳频技术、磁场外调制稳频技术、电光调制稳频技术以 及PDH稳频技术等等。其中，饱和吸收谱内调制稳频方技术是在原子光学实验中常用的技 术。而饱和吸收谱是该技术的根本。饱和吸收谱稳频技术能将激光锁定在特定的原子谱线 上，并且能很好地消除普通吸收谱的多普勒展宽。传统的饱和吸收谱，都是由激光器、厚玻璃块、2个高反射镜、原子样品池和光电探 头组成。其中，厚玻璃块法线与入射光束呈45°夹角，对入射光束产生5%左右的反射作为 探测光，其余透过的作为抽运光，抽运光功率较大，探测光功率较小。抽运光再经过2个高 反射镜的反射，与探测光相向传播重叠地通过样品池，其中探测光透过样品池后射入光电 探测器。样品池内的原子气体由于热运动，只有在光传播方向上速度为零的原子能与抽运 光和探测光同时共振。而抽运光强度较大，将这部分原子都抽运到激发态，即形成了饱和吸 收，从而探测光在若干个共振频率上不被吸收，经过光电探测器，就可以探测到一系列消除 了多普勒加宽的洛伦兹线型窄吸收峰，这就是饱和吸收光谱。

发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供基于原子气体样品池内表面反射的饱 和吸收谱方法及其装置。基于原子气体样品池内表面反射的饱和吸收谱方法是原子气体样品池的后内表 面和前内表面对激光光束先后产生2次部分反射，其中后内表面的部分反射称为第一次反 射，前内表面的部分反射称为第二次反射，使得入射激光光束与第一次反射激光光束在原 子气体样品池中发生重叠，从而产生原子气体样品对激光的饱和吸收，第二次反射激光光 束与直接透过原子样品池的激光光束一起射入光电探测器，光电探测器探出第二次反射激 光的饱和吸收光谱信号并在示波器上显示。基于原子气体样品池内表面反射的饱和吸收谱装置是外腔半导体激光器、半波 片、偏振分束器、原子气体样品池、光电探测器和示波器顺次连接，外腔半导体激光器的激 光光束经过半波片、偏振分束器、原子样品池，到达光电探测器，产生电信号通过信号线传 递至示波器。所述的外腔半导体激光器为发射的激光模式为单模线偏振光的波长可调的激光 器。所述的原子样品池呈圆柱体型，其前后两个内表面对光束有部分反射的特性，其放置位置为前后表面与入射光束垂直。基于原子气体样品池内表面反射的饱和吸收谱装置的使用方法的步骤如下1)打开外腔半导体激光器、并开启波长扫描；2)在示波器上观察光电信号，同时调节外腔半导体激光器的波长直到观察到样品 原子的带多普勒展宽的吸收谱线；3)旋转半波片的快轴方向，以改变偏振分束器的分光比，使带有多普勒加宽的吸 收谱线的信噪比最优化；4)观察示波器上的吸收谱线，以目标吸收峰为中心，逐渐减小外腔半导体激光器 的波长扫描范围；同时微调原子气体样品池前后端面与光束的垂直性，直到在示波器上看 到叠加在带多普勒加宽的吸收峰上面的饱和吸收谱线；5)观察示波器上的饱和吸收谱线，继续微转半波片和微调原子气体样品池位置， 使饱和吸收谱线的信噪比最优化。本发明能够利用光束在原子气体样品池内部反射的简单特性，简化传统饱和吸收 谱技术的光学硬件装置，充分利用激光束在原子气体样品池内的部分反射机制，实现一种 更为简易的单光束的饱和吸收光谱装置。本发明通过精简装置，减少光学器件的应用，来提高饱和吸收谱的长期稳定性。本 发明适用于各种气体原子的吸收光谱技术领域。


图1是基于原子气体样品池内表面反射的饱和吸收谱装置结构示意图。
具体实施例方式如图1所示，基于原子气体样品池内表面反射的饱和吸收谱装置是外腔半导体 激光器1、半波片2、偏振分束器3、原子气体样品池4、光电探测器5和示波器6顺次连接， 外腔半导体激光器1的激光光束经过半波片2、偏振分束器3、原子样品池4，到达光电探测 器5，产生电信号通过信号线传递至示波器。其中，外腔半导体激光器1的作用是发射波长也即频率可调的激光光源，其出射 光束具有恒定的线偏振态；半波片2的作用是旋转出射光束的偏振方向；偏振分束器3的 作用是使光束中水平偏振的分量透射，竖直偏振的分量90°折射，从而可以调节射入样品 池的光束功率；原子气体样品池4的作用是提供一定气压和温度的原子气，以产生吸收谱， 并且样品池玻璃表面的反射特性可以使光束在样品池内多次往返；光电探测器5的作用 是将入射光束的光信号转化为电信号，以便在示波器上查看和在后续电路中实现激光器稳 频；示波器6的作用是查看饱和吸收光谱信号。基于原子气体样品池内表面反射的饱和吸收谱方法是原子气体样品池的后内表 面和前内表面对激光光束先后产生2次部分反射，其中后内表面的部分反射称为第一次反 射，前内表面的部分反射称为第二次反射，使得入射激光光束与第一次反射激光光束在原 子气体样品池中发生重叠，从而产生原子气体样品对激光的饱和吸收，第二次反射激光光 束与直接透过原子样品池的激光光束一起射入光电探测器，光电探测器探出第二次反射激 光的饱和吸收光谱信号并在示波器上显示。
基于原子气体样品池内表面反射的饱和吸收谱装置的使用方法的步骤如下1)打开外腔半导体激光器1、并开启波长扫描；2)在示波器6上观察光电信号，同时调节外腔半导体激光器1的波长直到观察到 样品原子的带多普勒展宽的吸收谱线；3)旋转半波片2的快轴方向，以改变偏振分束器3的分光比，使带有多普勒加宽的 吸收谱线的信噪比最优化；4)观察示波器6上的吸收谱线，以目标吸收峰为中心，逐渐减小外腔半导体激光 器1的波长扫描范围；同时微调原子气体样品池4前后端面与光束的垂直性，直到在示波器 6上看到叠加在带多普勒加宽的吸收峰上面的饱和吸收谱线；5)观察示波器6上的饱和吸收谱线，继续微转半波片2和微调原子气体样品池位 置，使饱和吸收谱线的信噪比最优化。本发明的工作原理激光束经过原子气体样品池时，在其表面会发生部分反射。 在原子气体样品池内部，首先是后表面反射，使光束的一部分往回传播，与入射光束相向重 合，然后是前表面反射，又使光束往最初传播方向传播，并射出原子气体样品池。于是，第一 次反射的光强度较弱，作为传统饱和吸收的探测光，而直接出射的光束则作为传统饱和吸 收的抽运光。第二次反射的光是部分探测光，叠加在直接出射的光上面，进入光电探测器。 因此，光电探测器得到的信号是多普勒展宽吸收谱线加上饱和吸收谱线。调整好原子气体 样品池与光束的位置，则其中饱和吸收信号的信噪比可以满足多数对饱和吸收谱的应用， 比如半导体激光器的调制稳频等等。
权利要求
一种基于原子气体样品池内表面反射的饱和吸收谱方法，其特征在于原子气体样品池的后内表面和前内表面对激光光束先后产生2次部分反射，其中后内表面的部分反射称为第一次反射，前内表面的部分反射称为第二次反射，使得入射激光光束与第一次反射激光光束在原子气体样品池中发生重叠，从而产生原子气体样品对激光的饱和吸收，第二次反射激光光束与直接透过原子样品池的激光光束一起射入光电探测器，光电探测器探出第二次反射激光的饱和吸收光谱信号并在示波器上显示。
2. 一种基于原子气体样品池内表面反射的饱和吸收谱装置，其特征在于外腔半导体 激光器(1)、半波片(2)、偏振分束器(3)、原子气体样品池(4)、光电探测器(5)和示波器 (6)顺次连接，外腔半导体激光器(1)的激光光束经过半波片(2)、偏振分束器(3)、原子样 品池(4)，到达光电探测器(5)，产生电信号通过信号线传递至示波器。
3.根据权利要求2所述的一种基于原子气体样品池内表面反射的饱和吸收谱装置，其 特征在于所述的外腔半导体激光器(1)为发射的激光模式为单模线偏振光的波长可调的 激光器。
4.根据权利要求2所述的一种基于原子气体样品池内表面反射的饱和吸收谱装置，其 特征在于所述的原子样品池(4)呈圆柱体型，其前后两个内表面对光束有部分反射的特 性，其放置位置为前后表面与入射光束垂直。
5. 一种使用如权利要求2所述基于原子气体样品池内表面反射的饱和吸收谱装置的 使用方法，其特征在于具体步骤如下1)打开外腔半导体激光器(1)、并开启波长扫描；2)在示波器(6)上观察光电信号，同时调节外腔半导体激光器(1)的波长直到观察到 样品原子的带多普勒展宽的吸收谱线；3)旋转半波片(2)的快轴方向，以改变偏振分束器(3)的分光比，使带有多普勒加宽的 吸收谱线的信噪比最优化；4)观察示波器(6)上的吸收谱线，以目标吸收峰为中心，逐渐减小外腔半导体激光器 (1)的波长扫描范围；同时微调原子气体样品池(4)前后端面与光束的垂直性，直到在示波 器(6)上看到叠加在带多普勒加宽的吸收峰上面的饱和吸收谱线；5)观察示波器(6)上的饱和吸收谱线，继续微转半波片(2)和微调原子气体样品池位 置，使饱和吸收谱线的信噪比最优化。
全文摘要
本发明公开了一种基于原子气体样品池内表面反射的饱和吸收谱方法及其装置。原子气体样品池的后内表面和前内表面对激光光束先后产生2次部分反射，其中后内表面的部分反射称为第一次反射，前内表面的部分反射称为第二次反射，使得入射激光光束与第一次反射激光光束在原子气体样品池中发生重叠，从而产生原子气体样品对激光的饱和吸收，第二次反射激光光束与直接透过原子样品池的激光光束一起射入光电探测器，光电探测器探出第二次反射激光的饱和吸收光谱信号并在示波器上显示。本发明明显简化了传统的饱和吸收谱技术的装置，并有助于提高谱线的长期稳定性。本发明适用于各种气体原子的吸收光谱技术领域。
文档编号G01N21/31GK101995384SQ20101029537
公开日2011年3月30日 申请日期2010年9月27日 优先权日2010年9月27日
发明者章显, 陆璇辉, 黄凯凯 申请人:浙江大学