CN100486061C - 产生直接用作光频段频率标准激光的方法及其设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种产生直接用作光频段频率标准激光的方法，该方法包括：由一个准直的原子束流作为激光增益介质，将激光增益介质置于真空内，激光增益介质粒子在进入激光谐振腔前由一个单独受控制的激光器提供泵浦激光照射而产生增益介质粒子能级间布居数反转，实现激光谐振腔纵模的频率模线宽Γcavity大于所用激光增益介质的增益频率线宽Γgain，且利用本发明构建的激光器输出激光的线宽可以达到小于1赫兹，输出的激光频率非常稳定，使得本发明所产生的激光可以直接用作光频量子频率标准。

Description

产生直接用作光频段频率标准激光的方法及其设备
技术领域
本发明属于光频段频率标准技术领域，具体涉及一种产生直接用作光频段频率标准激光的方法及其设备。
背景技术
迄今为止所有的高准确度与高稳定度的光频段频率标准概无例外地都属于被动式的，即输出给用户的激光，其频率是通过鉴频或鉴相技术被动式地被锁定在一种原子的量子跃迁线上。仅管已知有许多线宽非常窄的量子跃迁线，但是用来鉴频的激光光源的频率线宽目前最好的是在一赫兹左右，这就限制了在频率域上实现更精密分辨率的可能。此外，这种激光光源最大的缺点是，它是以光频谐振腔作为参考，所以，如地面震动或空气声波噪声等外部的各种影响光频谐振腔腔长的噪声，就决定了可实现的一赫兹左右线宽。
在具体的结构构造上，目前所有的光频段频率标准都是有两部分组成。一是提供量子吸收线的原子，离子或分子；二是作为本级振荡器的腔稳激光器。而腔稳激光器的缺点是其输出频率紧随腔长的变化而波动和漂移。
发明内容
本发明克服现有光频段频率标准技术的不足，提供一种产生直接用作光频段频率标准激光的方法及其设备。
本发明的技术内容：一种产生直接用作光频段频率标准激光的方法，包括：
由一个准直的粒子束流作为激光增益介质，将激光增益介质和激光谐振腔置于真空度大于10-6乇的真空腔体内，激光增益介质粒子在进入激光谐振腔前由一个单独受控制的激光器提供泵浦激光照射而产生增益介质粒子能级间布居数反转，实现激光谐振腔纵模的频率模线宽Γcavity大于所用激光增益介质的增益频率线宽Γgain。
对于束流形式的激光增益束流介质，通过调节粒子束流强度而调节激光的泵浦率r，从而来调节输出激光功率以优化输出激光具有所需性能参数到最佳值，泵浦率r设置在1.5到3之间。
粒子束流选自不同种类的原子，分子或离子。
一种直接用作光频段频率标准的激光器，包括：一真空腔体，真空腔体内设置的原子炉，泵浦激光器，由两个腔镜组成的光频谐振腔以及一控制系统，所述激光谐振腔置于真空腔体内，真空腔体的真空度大于10-6乇，所述激光谐振腔的腔模线宽大于介质原子的增益线宽，其中，原子束从原子炉喷出，准直后，进入泵浦区与泵浦光作用，并将在激光谐振腔中以受激辐射的形式释放出来，从而输出可以直接用作光频段频率标准的激光。
光频谐振腔的两个腔镜通过低热涨系数的玻璃或陶瓷加工的腔隔离物固定在真空腔体上。
整个激光谐振腔通过金属丝悬挂于真空腔体内。
真空腔体内设有小孔光拦，用于准直原子束。
真空腔体设有若干个光窗，用于激光的输入和输出。
本发明的技术效果：本发明由于激光谐振腔的腔模线宽大于介质原子的增益线宽，且用作激光增益介质的原子，分子，或离子有比一般传统激光小的增益线宽，并且此增益介质的激光谱线受外界因素的谱线加宽和移动影响较小，因此，本发明与目前所有的光频段频率标准相比，主要有以下三个特有的优点：
一、将目前所有的光频段频率标准的两个物理学上完全不同的组成部分，量子吸收粒子与本级振荡器二者融合在一个物理部件上直接实现光频量子频率标准。
二、在输出激光的线宽上窄于目前最好的激光器。
三、激光腔的腔长变化不会直接影响输出激光频率，而被减少到很小的波动范围。。
附图说明
下面结合附图，对本发明做出详细描述。
图1为直接用作光频段频率标准的激光器的结构示意图；
图2为泵浦参数和真空腔内稳态平均光子数关系示意图。
图3为泵浦参数和输出激光线宽关系示意图。
1—离子泵；2—真空腔体；3—原子炉；4—准直缝；5—泵浦光窗；6—泵浦激光；7—激光腔镜一：高反射镜；8—激光腔镜一：低反射镜；9—原子束；10—光窗；11—可以直接作为光频频率标准的输出激光；12—备用光窗；13—控制电路；14—压电陶瓷。
具体实施方式
在满足了一般激光器所必需的构建激光谐振腔并实现激光增益介质的粒子能级间布居数反转这两个最基本条件的基础上，为了实现本发明具体的技术指标Γcavity≥5Γgain，实现的方法一是调节增益线宽Γgain，一是调节腔模线宽Γcavity。
激光谐振腔的纵模线宽Γcavity调节的具体技术方法和技术效果详细描述如下：一是要通过选择合适反射系数的腔镜来构建激光谐振腔就可以在技术上调节激光谐振腔的纵模线宽Γcavity大小，从而满足输出激光性能要求。第二也要通过选择合适激光谐振腔长度来调节激光谐振腔的纵模线宽Γcavity大小。
与调节激光增益介质的增益频率线宽Γgain相对应的实施技术包括：通过减小增益介质粒子的运动速度和增大激光谐振腔腔模尺寸来减小渡越时间引起的谱线加宽，通过减小增益介质粒子的运动速度来减小多普勒效应和相对论效应引起的谱线加宽，对于束流形式的激光增益束流介质通过机械狭缝或小光拦以及利用激光冷却技术减小束流介质的横向速度分布来减小减小多普勒效应引起的谱线加宽，通过调节激光谐振腔腔模尺寸来减小波矢方向分布引起的谱线加宽，通过利用真空腔体内产生的激光增益束流介质的无器壁碰撞特性和近无碰撞特性来减小各种碰撞引起的谱线加宽，通过调节激光泵浦率调节输出激光功率来减小大功率谱线饱和效应引起的谱线加宽，通过调节外加电磁场的均匀性来减小环境电磁场不均匀和波动引起的谱线加宽。
减小激光谐振腔腔长变化对输出激光噪声的影响。具体技术方法上一方面加大比例系数a＝(Γcavity/Γgain)，这是通过上述两种技术来进行。另一方面在机械上固定腔长，将两个腔镜固定在一个低热涨系数材料加工的腔体上，并且整个激光谐振腔通过金属丝悬挂于或通过软性连接固定在真空腔体内，从而减小振动，声波，温度起伏所带来的激光谐振腔腔长变化的噪声影响。
对于束流形式的激光增益束流介质，通过调节粒子束流强度而调节激光的泵浦率r，从而来调节输出激光功率以优化输出激光具有所需性能参数到最佳值，如以此来调节激光谐振腔内的平均光子数n，使之较大以减小输出激光频率线宽，又不至于太大使功率饱和效应在可以接受范围之内。如图2和图3所示，泵浦率r的取值在1.5到3附近最好，这种优化技术的目标是要以此得到最窄线宽的输出激光，同时又要保证有足够的输出激光功率，而另一方面又是在粒子束流强度允许的范围之内。
当激光增益介质是置于真空腔体内的原子束，分子束或离子束时，与外界各种作用因素对激光增益介质谱线的影响就大为减小，从而能得到激光增益介质较小的条件满足比例系数a＝(Γcavity/Γgain)≥5的要求。以钙原子束为例子是在真空腔体内将装了钙金属的钙炉加热到650摄氏度左右由一个准直缝中喷射出的热钙原子束流作为激光增益介质，原子束流强度由炉体温度控制决定。如果激光增益介质是离子流，则方法上通过电场来调节束流速度和强度。对于各种不同类型的具体的粒子束流可以有不同种类的束流产生方法。激光增益介质粒子在进入激光谐振腔前由一个单独受控制的激光器提供泵浦激光照射而产生增益介质粒子能级间布居数反转，并使增益介质粒子束流强度足够以满足激光的阈值振荡条件。具体的方法也包括直接在腔内对多能级激光增益介质进行泵谱，技术上这些激光增益介质也可以是激光冷却后的囚禁粒子，或能级受外界的影响小到能满足(1)所述条件的任何激光增益介质。
直接用作光频段频率标准的激光器的结构，参见图一，下面进行描述：
发明主要包括由离子泵1维持着高真空的真空腔体2，原子炉3，准直缝4，泵浦激光6，激光腔镜7、8，控制电路13。真空腔体的适当位置开有光窗5，光窗11，和光窗12。原子束9由原子炉3加热后产生。加热丝的电流和原子炉3的温度由控制电路13所调节。
该发明需在高真空腔体2中实现。真空腔体中的高真空度长期要求由其相连的离子泵1来维持。真空腔体2的适当位置开有5，11，12等所需要的光窗，以便激光偶合时输出输入真空腔体2。也可在真空腔体内部装置光纤，由光纤偶合输出激光。
在高真空腔体有能够产生原子束的原子炉3。原子炉的温度决定于所用的原子，所需的原子流量等因素。
在真空腔体2内部与原子束9方向垂直的交叉位置放置由腔镜7和8构成的光频谐振腔。
由腔镜7和8构成的光频谐振腔和腔隔离物可由低热涨系数的玻璃或陶瓷加工而成。即腔镜7和8固定在低热涨系数的玻璃或陶瓷加工的腔隔离物上。由腔镜7和8构成的光频谐振腔的模式中心频率可由温度控制来调节，也可由一端加上压电陶瓷14来实现。在工作时将腔的模式中心频率调节到原子的跃迁谱线附近并锁定，这种锁定由控制电路13来实现。控制腔温度或控制压电陶瓷14也是通过控制电路13来实现。
由腔镜7和8构成的光频谐振腔满足的腔模线宽一定大于介质原子的增益线宽，这是本发明的主要特征之一。
在原子束进入由腔镜7和8构成的光频谐振腔之前，有一外加的泵浦光6，将原子从基态泵浦到所需的激发态上，实现在激光原理上所必须的粒子数反转。
主动式光频段频率标准各部件的连接关系，功能作用，和必要要求条件：
高真空腔体2及其相连的离子泵1是用来保证图1所示的整个主动式光频段频率标准中的主体部件能长期工作于高真状态，真空度优于10-6乇。
真空管的长度可小于50厘米。离子泵的体积小于一升。总之，以真空管体积与离子泵的抽速的协调来满足真空度优于10-6乇的要求。
由原子炉3的炉体温度和炉口孔的面积来决定我们可利用的原子束的流量，即单位时间有多少原子可供利用。炉孔由长细管构成。长细管管长0.5至2厘米，管径0.1至0.5毫米，具体据原子束的流量与发散角等要求而定。为了加大流量而不至于同时加大发散角，可由长细管阵列组成炉孔。
原子束从高温的原子炉经由炉孔喷出来后，进一步准直，可用小孔光拦4。也可利用激光冷却原理对原子束的横向发散进行激光准直。
准直后原子束接着进入泵浦区与泵浦光6作用。泵浦光6的功能是将处于基态的原子泵浦到激发态。原子从泵浦光得到的能量将在由腔镜7和8构成的光频谐振腔中以受激辐射的形式释放出来，从而输出可以直接用作光频段频率标准的激光11。
光频谐振腔由两个反射镜7和8组成。如果其中一个反射镜7的反射系数远大与另一个反射镜8的反射系数，则为单端输出，如图1.如果两个反射镜的反射系数一样则为两端输出。本发明的主要特征，也是必要条件是这两个反射镜组成的光频谐振腔满足一个必要的条件，即7和8组成的光频谐振腔的模式线宽要大于原子的增益线宽。
真空管上面的光窗5，光窗11，和光窗12以及其它所需要的光窗用于激光的输出和馈入。在可能的条件下可以用光纤替代。
泵浦光6的光源可用腔稳的半导体激光器来提供。泵浦光6的频率是锁定在需要的原子谱特定值上，由电路13实现。
最后，对于这种可以直接用作光频段频率标准的激光器可能作出并未脱离所附权利要求书限定的本发明范围的各种变更和改型。更具体地说，必须认识到，本发明并不限于用作激光增益介质的具体形式，而适用于任何形态的激光增益介质的激光器，只要这种激光器中用的激光增益介质的增益线宽可小于光频谐振腔满足的腔模线宽。

Claims (8)

1、一种产生直接用作光频段频率标准激光的方法，包括：
由一个准直的粒子束流作为激光增益介质，将激光增益介质和激光谐振腔置于真空度大于10-6乇的真空腔体内，激光增益介质粒子在进入激光谐振腔前由一个单独受控制的激光器提供泵浦激光照射而产生增益介质粒子能级间布居数反转，实现激光谐振腔纵模的频率模线宽Гcavity大于所用激光增益介质的增益频率线宽Гgain。
2、如权利要求1所述的产生直接用作光频段频率标准激光的方法，其特征在于：对于束流形式的激光增益束流介质，通过调节粒子束流强度而调节激光的泵浦率r，从而来调节输出激光功率以优化输出激光具有所需性能参数到最佳值，泵浦率r设置在1.5到3之间。
3、如权利要求1所述的产生直接用作光频段频率标准激光的方法，其特征在于：粒子束流选自不同种类的原子，分子或离子。
4、一种直接用作光频段频率标准的激光器，包括：一真空腔体，真空腔体内设置的原子炉，泵浦激光器，由两个腔镜组成的激光谐振腔以及一控制系统，所述激光谐振腔置于真空腔体内，真空腔体的真空度大于10-6乇，所述激光谐振腔的腔模线宽大于介质原子的增益线宽，其中，原子束从原子炉喷出，准直后，进入泵浦区与泵浦光作用，并将在激光谐振腔中以受激辐射的形式释放出来，从而输出可以直接用作光频段频率标准的激光。
5、如权利要求4所述的直接用作光频段频率标准的激光器，其特征在于：激光谐振腔的两个腔镜固定在低热涨系数材料加工的真空腔体上。
6、如权利要求4所述的直接用作光频段频率标准的激光器，其特征在于：整个激光谐振腔通过金属丝悬挂于真空腔体内。
7、如权利要求4所述的直接用作光频段频率标准的激光器，其特征在于：真空腔体内设有小孔光拦，用于准直原子束。
8、如权利要求4所述的直接用作光频段频率标准的激光器，其特征在于：真空腔体设有若干个光窗，用于激光的输入和输出。
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