CN102163791B

CN102163791B - 再泵浦激光设备及其获得再泵浦激光的方法

Info

Publication number: CN102163791B
Application number: CN 201110069547
Authority: CN
Inventors: 曹强; 罗鑫宇; 王如泉
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2031-03-22
Also published as: CN102163791A

Abstract

本发明提供一种获得再泵浦激光的方法，包括：提供由直流电流控制的半导体激光器；在该半导体激光器的直流成份上耦合进微波；提供锁频激光系统，其输出的激光的频率为f_main，将该频率为f_main的激光注入到上述半导体激光器中；调节半导体激光器的控制电流，使锁频激光系统的频率注入到半导体激光器的-1级光上并锁定-1级；使用半导体激光器发出的+1级光作为再泵浦光。本发明还提供了一种再泵浦激光设备。

Description

再泵浦激光设备及其获得再泵浦激光的方法

技术领域

本发明涉及再泵浦激光设备，尤其涉及用于铷87原子冷却的再泵浦激光设备及其获得再泵浦激光的方法。

背景技术

在做铷87原子冷却的实验(或应用)中，会利用激光阱来减速原子，如图1所示，当原子在F＝2态时，会吸收冷却激光光子跃迁到F’＝3态，处于激发态的原子会自发辐射光子，回到基态，统计上来讲，原子在这个过程中会减速。当原子从激发态回到基态，大部分会留在F＝2态，进行循环跃迁，从而得到持续减速，但有一部分概率会回到F＝1态，回到F＝1态后，原子就不会吸收冷却激光的光子，就不会得到减速，而从长时间来看，留在F＝1的原子数会越来越多，最终全部变为F＝1态，冷却停止。此时，如果在冷却光的基础上叠加一束再泵浦光，则可以将F＝1的原子泵浦以跃迁到F’＝2态，F’＝2态的原子又会回到F＝2态，再次回到循环跃迁。简而言之，如果没有再泵浦光，是无法进行原子冷却的。

要求泵浦激光比冷却激光频率大6.8G，线宽在1M以内，功率在10mW以上。

现有的获取再泵浦激光的方式为：用一套饱和吸收锁频激光系统(如图2所示)获取冷却光，在此基础上，用另一套饱和吸收锁频激光系统来获取再泵浦激光。这种方式的缺点是：一套锁频系统需要很多的光学元件以及锁相放大器、商业激光器等，代价昂贵；因为一套锁频系统比较复杂，涉及到光路、电路、锁相放大器等，稳定性难以保证，需要很好的维护才能工作。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服上述现有技术代价昂贵、难于维护的缺陷，提供一种再泵浦激光设备及其获得再泵浦激光的方法。

根据本发明的获得再泵浦激光的方法，包括：

1)提供由直流电流控制的半导体激光器；

2)在该半导体激光器的直流成份上耦合进微波；

3)提供锁频激光系统，其输出的激光的频率为f_main，将该频率为f_main的激光注入到上述半导体激光器中；

4)调节半导体激光器的电流，使锁频激光系统的频率注入到半导体激光器的-1级光上并锁定-1级；

5)使用半导体激光器发出的+1级光作为再泵浦光。

根据本发明的获得再泵浦激光的方法，其中频率f_main选择为适合作为用于铷87原子冷却的激光的频率，耦合进的微波的频率为3.4G。

根据本发明的获得再泵浦激光的方法，其中该方法还包括在上述步骤

4)中，利用FP腔和示波器来判断是否进入注入锁定状态。

根据本发明的获得再泵浦激光的方法，其中该方法还包括使锁频激光系统发出的激光与半导体激光器发出的激光平行性一致及横模匹配。

根据本发明的获得再泵浦激光的方法，其中该方法还包括通过控制锁频激光系统的注入功率来控制锁频激光系统发出的激光与半导体激光器发出的激光的功率比值，通过控制半导体激光器的电流来调节半导体激光器的频率。

根据本发明的再泵浦激光设备，包括：

带有微波耦合模块和直流电流控制器的半导体激光器；

微波发生器，被耦合到微波耦合模块；

锁频激光系统，其输出的激光被注入到半导体激光器中。

根据本发明的再泵浦激光设备，还包括FP腔和示波器，用于判断是否进入注入锁定状态。

根据本发明的再泵浦激光设备，其中锁频激光系统可以是饱和吸收锁频激光系统。微波发生器可为射频源等。

本发明提供的再泵浦激光设备成本低廉，易于维护，系统简单，只需要通过调节从激光器的电流即可维护锁定状态，且锁定后可以保证三个小时以上的连续实验(应用)。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1.铷87的原子能级。

图2.饱和吸收锁频激光系统的结构示意图。

图3.带有边带的输出激光频谱示意图。

图4.注入锁定的示意图。

图5.边带注入锁定流程示意图。

图6.边带注入锁定后的激光频谱示意图。

图7.示波器上显示的未注入锁定状态(a)和注入锁定状态(b)。

具体实施方式

普通半导体激光器由直流电流源驱动，出射未锁模的差纵模激光。这种激光的特点是线宽较宽，频率随温度、电流等漂移。

如果在直流电流控制器上并入交流信号源(例如射频源，频率为f_sb)，该交流信号成份会使激光器输出带有边带的激光，这种激光拥有多个频率成份(如图3所示)：f₀(定义为0级光，f₀为当不加微波时，仅由直流电流控制的激光器输出的激光频率)、f₀+f_sb(定义为+1级光)、f₀-f_sb(定义为-1级光)、f₀+2×f_sb(定义为+2级光)、f₀-2×f_sb(定义为-2级光)等成份，而且各个频率成份的功率不一样，0级光功率最强，其次是+1级与-1级，再次是+2级与-2级，交流信号源功率不一样，各频率成份功率不一样，对于一个2W的频率为3.4GHz微波，0级约占总功率的50％，±1级约各占20％，±2级约各占5％。这种带有边带的激光的特点是线宽较宽，f₀的大小随温度、电流等漂移，有多级输出激光。因为f₀的大小随温度、电流等漂移，因此需要对该激光器做注入锁定，以稳定f₀的大小。

其中激光注入锁定技术是已有的现有技术，指的是用一束单纵模(指单频)的激光(以下称为主激光，也叫种子光)注入到另一个激光器(以下称为从激光)的激光腔内，当满足以下条件时：

1.主从激光的频率差(f_detune)在一定的范围(f_range)内；

2.主从激光的功率比值满足在一定的大小，通常主激光功率要求在mW量级；

3.主从激光平行性一致及横模匹配；

从激光的纵模会突然变为跟主激光一样(如图4所示)，如果用FP腔来同时看它们的频谱，会发现从激光的纵模会突然吸到主激光的纵模上。通过调节从激光器的电流可满足上述条件1；通过控制主激光的注入功率可以满足上述条件2；通过调节光路可以满足上述条件3。锁定后的出射激光线宽很窄，与主激光一致，温度、电流等在一定范围内变化时频率不再随之漂移。

因此注入锁定可将一个锁模的好纵模激光注入一个由直流电流源驱动的差纵模的激光器，从而让差纵模的激光变成好纵模的激光输出。如图5所示，如果在差纵模激光器的直流电流源上再耦合交流信号源(例如射频源)，那么通过利用锁模的好纵模激光注入锁定差纵模激光器，就会在输出的模式中获得一系列的带有边带的好纵模激光(如图6所示)，这就是边带注入锁定。

铷87原子冷却实验(应用)中都必须用到线宽非常窄(如1MHz以下)的锁频激光系统(例如饱和吸收锁频激光系统)，主要用于获取冷却激光，它的激光频率为f_main(f_main是冷却激光的频率)，将这束激光(即主激光)以一定功率大小入射到上述的由直流电流源和交流信号源(频率为f_sb)共同驱动的半导体激光器(即从激光器)中，通过调节从激光器的电流，来调节主从激光的频率差，从而让主激光(频率为f_main)注入锁定从激光器的-1级光(如图6所示)，此时从激光器的输出光就为f_main+f_sb(0级光)、f_main+2×f_sb(+1级光)、f_main(-1级光)，功率很低的±2级可忽略。注入锁定后从激光器的+1级光为确定的频率(频率为f_main+2×f_sb)，不再随温度的漂移而漂移，也不再随电流的微小变化而变化，本发明利用该频率为f_main+2×f_sb的+1级光作为再泵浦激光。

该再泵浦激光的频率(f_main+2×f_sb)比冷却激光的频率(f_main)大2×f_sb，当2×f_sb为6.8GHz时，即可满足上述的铷87原子冷却实验要求，即要求f_sb(耦合的交流信号源的频率)为3.4GHz。

因此，本发明提供了一种获得再泵浦激光的方法，该方法包括使锁频后的激光注入到一个从激光器(带有微波耦合模块的半导体激光器)中，采用-1级边带注入锁定的方式来锁定从激光，用输出光的+1级光作为再泵浦激光。

根据本发明的一个实施例，提供了一种获取再泵浦激光的方法，该方法包括：

1)提供带有微波耦合模块和直流电流控制器的半导体激光器(作为从激光器，所发出的激光为从激光)，该激光器仅由直流电流控制时，输出的激光频率为f₀；

2)利用微波耦合模块在该半导体激光器的直流电流控制器的直流成份上耦合进频率为f_sb的微波，该微波成份会使激光器的输出激光拥有多个频率成份f₀(0级光)、f₀+f_sb(+1级光)、f₀-f_sb(-1级光)、f₀+2×f_sb(+2级光)、f₀-2×f_sb(-2级光)等成份；

3)提供锁频激光系统(作为主激光器，所发出的激光为主激光)，其输出的激光的频率为f_main，将该频率为f_main的激光注入到上述半导体激光器中；

4)调节半导体激光器的控制电流，使锁频激光系统的频率注入到半导体激光器的-1级光上并锁定-1级；

5)使用半导体激光器发出的+1级光(频率为f_main+2×f_sb)作为再泵浦光。

其中步骤4)中，可利用FP腔(法布里-珀罗谐振腔)来判断是否进入注入锁定状态。FP腔是一种由两块平行的玻璃板组成的多光束干涉仪，其中两块玻璃板相对的内表面都具有高反射率。当入射光的频率满足其共振条件时，其透射频谱会出现很高的峰值，对应着很高的透射率。因而实验上可以用FP腔来观察从激光器的光谱强度分布。因此步骤4)中，把半导体激光器的出射光送入FP腔，FP腔的出射信号接到示波器上，如图7所示，调节电流的同时观察示波器，当观察到有很高的尖峰时，表明半导体激光器发出的从激光已经锁定，此时即可终止电流的调节。

根据本发明的一个实施例提供的获取再泵浦激光的方法，其中通过调节光路，使主从激光平行性一致及横模匹配。

根据本发明的一个实施例提供的获取再泵浦激光的方法，其中通过控制主激光的注入功率，使主从激光的功率比值满足在一定的大小，通常主激光的功率要求在mW量级。

根据本发明的一个实施例提供的获取再泵浦激光的方法，其中锁频激光系统可以是例如对外腔激光器或DFB激光器做饱和吸收稳频的饱和吸收锁频激光系统。

根据本发明的一个实施例提供的获取再泵浦激光的方法，其中频率f_main选择为适合作为用于铷87原子冷却的激光的频率，f_main还可以根据用途(如冷却原子的不同)而选择其他值。

根据本发明的一个实施例，还提供了一种再泵浦激光设备，该设备包括：

1)带有微波耦合模块和直流电流控制器的半导体激光器(作为从激光器)，该激光器仅由直流电流控制时，输出的激光频率为f₀；

2)微波发生器，例如射频源等，所产生的微波的频率为f_sb，该微波成份会使激光器的输出激光拥有多个频率成份f₀(0级光)、f₀+f_sb(+1级光)、f₀-f_sb(-1级光)、f₀+2×f_sb(+2级光)、f₀-2×f_sb(-2级光)等成份，其中微波发生器被耦合到微波耦合模块，以在半导体激光器的直流电流控制器的直流成份上耦合进微波。

3)锁频激光系统，其输出的激光的频率为f_main，该频率为f_main的激光将被注入到上述半导体激光器中。

根据本发明的一个实施例，再泵浦激光设备还包括FP腔(法布里-珀罗谐振腔)，用于判断是否进入注入锁定状态。

根据本发明的一个实施例，半导体激光器由激光二极管、激光准直器、准直器座、基座，半导体致冷片以及控制电源等构成。控制电源包括温控器与电流源，通过温控器可以控制激光管的温度在设定的温度上，控制精度可达0.01K以下。通过电流源给激光管加上电流，使激光管稳定的输出激光。输出的激光通过准直器来变为平行光输出。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种获得再泵浦激光的方法，包括：

1）提供由直流电流控制的半导体激光器；

2）在该半导体激光器的直流成份上耦合进微波；

3）提供锁频激光系统，其输出的激光的频率为f_main，将该频率为f_main的激光注入到上述半导体激光器中，并使锁频激光系统发出的激光与半导体激光器发出的激光平行性一致及横模匹配；

4）调节半导体激光器的电流，使锁频激光系统的频率注入到半导体激光器的-1级光上并锁定-1级；

5）使用半导体激光器发出的+1级光作为再泵浦光。

2.根据权利要求1所述的方法，其中频率f_main选择为适合作为用于铷87原子冷却的激光的频率。

3.根据权利要求1所述的方法，其中上述耦合进的微波的频率为3.4G。

4.根据权利要求1所述的方法，其中该方法还包括在上述步骤4）中，利用FP腔和示波器来判断是否进入注入锁定状态。

5.根据权利要求1所述的方法，其中该方法还包括通过控制锁频激光系统的注入功率来控制锁频激光系统发出的激光与半导体激光器发出的激光的功率比值，通过控制半导体激光器的电流来调节半导体激光器的频率。