1 引言
       光泵磁共振實(shí)驗(yàn)是近代物理實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)很有代表性的實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)通過光抽運(yùn)的方法, 使所研究的原子能級(jí)粒子分布產(chǎn)生重大變化; 此外, 通過利用抽運(yùn)光作為光信號(hào)檢測(cè),從而大大提高了信號(hào)強(qiáng)度和檢測(cè)靈敏度。利用這一方法可以研究原子精細(xì)、超精細(xì)能級(jí)結(jié)構(gòu), 以及測(cè)定朗德因子、地磁場(chǎng)強(qiáng)度等物理量, 為原子物理的實(shí)驗(yàn)研究提供了一種有效的實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段。然而現(xiàn)在通常采用的光泵磁共振實(shí)驗(yàn)裝置, 由于其光源是通過無極放電方式激勵(lì)銣原子泡發(fā)光。因而光源波長(zhǎng)較單一、適用范圍窄, 一般只用于觀測(cè)與銣原子有關(guān)的共振信號(hào)。針對(duì)這一問題, 本文介紹一種新的光泵浦源。該光源采用半導(dǎo)體激光二極管作光源,通過外設(shè)電路控制可在一定范圍內(nèi)對(duì)輸出光進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)、掃描及調(diào)制; 置換不同中心波長(zhǎng)的激光二極管, 可以對(duì)不同元素原子進(jìn)行光激勵(lì)和光檢測(cè)。
2 高穩(wěn)定、可調(diào)節(jié)半導(dǎo)體二極管激光泵浦源
       半導(dǎo)體激光二極管以其體積小、重量輕、功耗小、價(jià)格低及便于調(diào)節(jié)、調(diào)制等特點(diǎn), 在原子分子波譜學(xué)、量子計(jì)量學(xué)、光纖通信及量子頻標(biāo)等領(lǐng)域得到廣泛的開發(fā)與應(yīng)用。然而由于半導(dǎo)體激光二極管的工作波長(zhǎng)及其穩(wěn)定性與管的注入電流、工作溫度有著極其密切的聯(lián)系。通常半導(dǎo)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(yīng)用中( 尤其是科學(xué)研究應(yīng)用中) , 首先必須對(duì)管的注入電流及工作溫度進(jìn)行穩(wěn)定控制。此外, 由于激光管容易受電源開關(guān)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(wěn)壓及慢啟動(dòng)等保護(hù)措施。在利用其進(jìn)行光檢測(cè)方面, 由于隨著管的注入電流的改變( 尤其當(dāng)激光管處于掃描工作狀態(tài)探測(cè)原子能級(jí)間躍遷信號(hào)時(shí)) , 管的輸出功率也將隨之發(fā)生變化, 從而使所獲得的檢測(cè)信號(hào)迭加在一個(gè)傾斜的背景上。為消除這一因素的影響, 還應(yīng)對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行差分放大。

       半導(dǎo)體激光二極管工作電流( 注入電流) 調(diào)節(jié)與穩(wěn)流控制基本原理如圖1 所示。該電路采用可調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓與激光管輸出功率( 與輸出波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)) 的反饋電壓相比較來實(shí)現(xiàn)激光管工作電流的調(diào)節(jié)與穩(wěn)流。高穩(wěn)定可調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓由精密電壓基準(zhǔn)LM399 經(jīng)線繞多圈電位器粗/ 細(xì)調(diào)提供; 反饋電壓則取自由激光管內(nèi)置光電二極管輸出的功率監(jiān)測(cè)電流流經(jīng)取樣電阻上的壓降。此兩路電壓信號(hào)分別輸入至直流差分放大及積分放大, 然后控制穩(wěn)流調(diào)整管的門。由該門調(diào)整連續(xù)流經(jīng)激光管上的電流。對(duì)光源工作波長(zhǎng)的掃描與調(diào)制一般是采用對(duì)激光管工作電流進(jìn)行掃描和調(diào)制。因此, 在該注入電流穩(wěn)定的積分放大部分設(shè)有掃描和調(diào)制信號(hào)的輸入。

       激光二極管工作溫度的設(shè)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(shè)置及探測(cè)激光管工作溫度變化, 并將測(cè)到的溫差信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào), 經(jīng)差分放大,PID ( 比例 積分 微分) 控制器至驅(qū)動(dòng)電路控制半導(dǎo)體致冷器加熱或致冷。為提高電路精度, 在基本部分基礎(chǔ)上加設(shè)了鎖相放大部分, 該部分由方波發(fā)生電路及四開關(guān)相敏檢波放大組成。半導(dǎo)體激光二極管工作電流及工作溫度控制的具體電路見。
      對(duì)光信號(hào)的差分檢測(cè)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(jìn)入光電檢測(cè)器1; 另一事則經(jīng)過待探測(cè)的原子泡室后再進(jìn)入光電檢測(cè)器2, 所得兩路光電信號(hào)分別輸入到差分放大器, 適當(dāng)調(diào)節(jié)兩組信號(hào)的強(qiáng)度比例, 則基本可去除四對(duì)激光管工作電流掃描引起的輸出信號(hào)上的傾斜功率背景。
 

        實(shí)驗(yàn)中, 我們采用Mitsubishi 公司的ML4XX2 系列( 也可用其它公司的相應(yīng)產(chǎn)品) 的780nm 紅外激光管產(chǎn)生的激光激發(fā)銣原子吸收泡中的原子,通過檢測(cè)銣吸收泡透射光強(qiáng)的變化可觀測(cè)到銣原子的D2 線吸收譜線。圖5為實(shí)驗(yàn)所觀測(cè)到的銣原子D2 線吸收譜。

4 結(jié)束語(yǔ)
       本文介紹了一種可應(yīng)用于光泵實(shí)驗(yàn)的高穩(wěn)定可調(diào)節(jié)激光泵浦源及其在銣原子線性吸收譜線觀察中的應(yīng)用。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要, 置換不同中心波長(zhǎng)的激光二極管可對(duì)不同種類元素原子的精細(xì)或超精細(xì)能級(jí)躍遷譜線進(jìn)行探測(cè), 在配合磁裝置的條件下, 還可對(duì)其原子塞曼子能級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。高穩(wěn)定可調(diào)節(jié)半導(dǎo)體二極管激光及其應(yīng)用的進(jìn)一步研究仍在進(jìn)行中。