CN106329307A - 一种微结构自加热碱金属蒸气激光器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种微结构自加热碱金属蒸气激光器及制备方法，所述微结构自加热碱金属蒸气激光器包括：第一整形聚焦单元位于第一偏振分光器和第一半导体激光器之间；第二整形聚焦单元位于第二偏振分光器和第二半导体激光器之间；在系统光轴上沿光束传播方向依次放置高反射镜、第一偏振分光器、微结构碱金属蒸气室、第二偏振分光器和输出耦合镜；第一、第二半导体激光器输出泵浦光；第一、第二整形聚焦单元对泵浦光聚焦，将泵浦光用于微结构碱金属蒸气室的加热和激光上能级与基态能级之间的粒子数反转；第一、第二偏振分光器，用于将泵浦光与碱金属激光耦合；高反射镜和输出耦合镜实现碱金属原子的²P_1/2→²S_1/2跃迁对应波长的光放大并输出激光。

Description

一种微结构自加热碱金属蒸气激光器及制备方法

技术领域

本发明属于激光技术及其应用技术领域，具体涉及一种微结构自加热碱金属蒸气激光器及制备方法。

背景技术

半导体泵浦碱金属蒸气激光器(Diode pumped alkali laser，DPAL)是一种新型的光泵浦气体激光器。DPAL的增益介质一般为蒸气状态的钾、铷、铯，增益介质的温度通常为100～200℃。碱金属原子的最外层电子由于自旋-轨道相互作用劈裂为两个激发态能级n²P_1/2和n²P_3/2，其中n是最外层电子所在电子层数，钾、铷、铯对应的n分别为4、5、6。碱金属最外层电子的基态为n²S_1/2。由于DPAL的激光波长无需稳频即可精确对准碱金属原子的²P_1/2→²S_1/2跃迁，又具有线宽窄线偏振激光输出的特点，因此小功率DPAL在原子磁力计、原子钟等领域具有较为广阔的应用前景。

目前，小功率DPAL通常使用端面泵浦结构，如图1所示典型的DPAL激光器(参考文献：Optics Letters，第33卷第5期，414-415，2008)。图1是采用双端泵浦的铷蒸气激光器示意图。该激光器由透镜A、偏振分光立方体B、放在温箱里的铷蒸气室C、偏振分光立方体D、透镜E、高反镜F和输出耦合镜G组成。两侧的泵浦光经过透镜A和E聚焦，分别经由偏振分光立方体B和偏振分光立方体D，进入铷蒸气室C内，实现铷5²P_1/2和5²S_1/2两个能级之间的粒子数反转。高反镜F和输出耦合镜G构成一组谐振腔镜，实现铷5²P_1/2→5²S_1/2跃迁对应波长的激光输出。铷蒸气室C放置在温度精确控制的电加热温箱内，并控制蒸气室的窗口温度较主体部分高4℃左右，防止碱金属颗粒在窗口上沉积。图1所示的DPAL在小功率应用方面存在的主要问题是对蒸气室的加热需要消耗较大的功率，且需要较为复杂的温度控制电路，限制了DPAL在小型化低功耗方面的发展。

目前，小功率DPAL使用的蒸气室通常为玻璃吹制的气室。该类玻璃蒸气室在实现更小尺寸的蒸气室方面存在困难。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术在小功率应用方面存在对蒸气室的加热需要消耗较大的功率，且需要较为复杂的温度控制电路，限制了DPAL在小型化低功耗方面的发展的问题；以及实现更小尺寸的蒸气室方面存在困难的问题，本发明的目的是提供一种微结构自加热碱金属蒸气激光器及制备方法。

(二)技术方案

本发明的第一方面，提供一种微结构自加热碱金属蒸气激光器，包括第一半导体激光器、第二半导体激光器、第一整形聚焦单元、第二整形聚焦单元、高反射镜、第一偏振分光器、微结构碱金属蒸气室、第二偏振分光器、输出耦合镜组成，其中：

第一整形聚焦单元位于第一偏振分光器和第一半导体激光器之间；第二整形聚焦单元位于第二偏振分光器和第二半导体激光器之间；在系统光轴上沿光束传播方向依次放置高反射镜、第一偏振分光器、微结构碱金属蒸气室、第二偏振分光器和输出耦合镜；

第一半导体激光器和第二半导体激光器分别输出泵浦光；

第一整形聚焦单元、第二整形聚焦单元对泵浦光聚焦，使聚焦泵浦光的束腰位置位于微结构碱金属蒸气室的通光孔的中心位置，利用泵浦光聚焦后快速发散的特点，将泵浦光用于微结构碱金属蒸气室的加热和碱金属原子的激发态能级²P_1/2和基态能级²S_1/2之间的粒子数反转；

第一偏振分光器、第二偏振分光器，用于将泵浦光与碱金属激光耦合；

高反射镜和输出耦合镜，用于实现碱金属原子的²P_1/2→²S_1/2跃迁对应波长的光放大，并通过输出耦合镜输出碱金属原子的²P_1/2→²S_1/2跃迁对应波长的激光。

本发明的第二方面，提供一种微结构自加热碱金属蒸气激光器的制备方法，该方法的具体步骤包括：

步骤S1：在硅片中制作一气室；

步骤S2：将硅片位于两玻璃之间并键合，同时在气室中充入缓冲气体和碱金属，得到含有充入缓冲气体和碱金属的硅片及两玻璃组成的一体结构；

步骤S3：在吸光片表面做保温层；

步骤S4：将具有保温层的吸光片包覆于充入缓冲气体和碱金属的硅片以及两玻璃组成的一体结构的外部，形成激光加热微结构碱金属蒸气室；

步骤S5：第一半导体激光器和第二半导体激光器分别输出泵浦光，第一整形聚焦单元、第二整形聚焦单元对对应的泵浦光聚焦，使聚焦泵浦光的束腰位置位于微结构碱金属蒸气室的同侧吸光片的通光孔的中心位置，利用泵浦光聚焦后快速发散的特点，将泵浦光用于微结构碱金属蒸气室7的加热和碱金属原子的激发态能级²P_1/2和基态能级²S_1/2之间的粒子数反转；

步骤S6：第一偏振分光器、第二偏振分光器，将接收端的泵浦光与碱金属激光耦合；

步骤S7：将第一整形聚焦单元、第二整形聚焦单元放置于对应的第一偏振分光器、第二偏振分光器和第一半导体激光器、第二半导体激光器之间；将高反射镜和输出耦合镜形成谐振腔；

步骤S8：在谐振腔中依次设置第一偏振分光器、微结构碱金属蒸气室、第二偏振分光器；利用泵浦光聚焦后快速发散，未被利用的泵浦光被另一侧吸光片强吸收加热微结构碱金属蒸气室；

步骤S9：在输出耦合镜输出碱金属原子的²P_1/2→²S_1/2跃迁对应波长的线偏振激光。

(三)有益效果

1)本发明基于未被吸收的泵浦光实现对碱金属蒸气室的加热，省去通常的蒸气室电加热装置，具有功耗低结构紧凑的特点。通常DPAL的碱金属蒸气室放置在温箱内，基于电加热方法实现增益介质工作所需要的温度。本发明利用未被吸收的泵浦光加热碱金属蒸气室，有效的降低了激光器的功耗，提高了激光器的插头效率。

2)泵浦光在这种激光器里的作用有两个：一是泵浦碱金属蒸气，实现高光束质量激光输出；二是将泵浦光聚焦后的束腰放置在通光孔位置的吸光片吸收，加热碱金属蒸气室，利用泵浦光聚焦后快速发散的特点，使未被吸收的泵浦光加热碱金属蒸气室达到激光工作所需的增益介质(碱金属原子)粒子数密度。因此，本发明实现的DPAL只需通过控制泵浦光参数即可实现激光输出和碱金属蒸气室的温度控制，大大简化了碱金属激光器的结构及控制系统，有利于DPAL的小型化微型化。

3)将基于硅片和玻璃键合技术实现的微结构碱金属蒸气室，微结构碱金属蒸气室内充入碱金属原子和甲烷等缓冲气体，用于形成碱金属蒸气激光器，使得小型化的碱金属蒸气激光器结构更加紧凑，克服了玻璃蒸气室在小型化微型化方面的缺陷。

4)无需复杂的电加热系统，通过调节泵浦光的参数实现碱金属原子的5²P_1/2→5²S_1/2跃迁对应波长的激光输出。

附图说明

图1是现有技术典型的DPAL激光器结构示意图；

图2是本发明微结构自加热碱金属蒸气激光器结构示意图。

图3是本发明微结构自加热碱金属蒸气激光器制备方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

请参阅图2示出本发明微结构自加热碱金属激光器的构造包括：第一半导体激光器1、第二半导体激光器2、第一整形聚焦单元3、第二整形聚焦单元4、高反射镜5、第一偏振分光器6、微结构碱金属蒸气室7、第二偏振分光器8、输出耦合镜9组成，其中：

第一整形聚焦单元3位于第一偏振分光器6和第一半导体激光器1之间；第二整形聚焦单元4位于第二偏振分光器8和第二半导体激光器2之间；在系统光轴上沿光束传播方向依次放置高反射镜5、第一偏振分光器6、微结构碱金属蒸气室7、第二偏振分光器8和输出耦合镜9；

第一半导体激光器1和第二半导体激光器2分别输出泵浦光；所述输出泵浦光的波长为与碱金属原子的²P_3/2→²S_1/2跃迁对应的波长相同，泵浦光的线宽与微结构碱金属蒸气室内缓冲气体加宽后的碱金属原子的²P_3/2→²S_1/2跃迁谱线线宽相匹配。泵浦光的线宽一般大于碰撞加宽后碱金属原子的²P_3/2→²S_1/2跃迁谱线的线宽相匹配，所述泵浦光线宽与碰撞加宽后碱金属原子的²P_3/2→²S_1/2跃迁谱线的线宽比值的优选值为3：1；

第一整形聚焦单元3、第二整形聚焦单元4对泵浦光聚焦，使聚焦泵浦光的束腰位置位于微结构碱金属蒸气室7的通光孔的中心位置，利用泵浦光聚焦后快速发散的特点，将泵浦光用于微结构碱金属蒸气室7的加热和碱金属原子的激发态能级²P_1/2和基态能级²S_1/2之间的粒子数反转；泵浦光经第一整形聚焦单元3和第二整形聚焦单元4后，聚焦的束腰大小约为0.3mm～2mm，优选值0.5mm，或为0.3mm，或为2mm。

第一偏振分光器6、第二偏振分光器8是偏振立方体结构，用于将接收的泵浦光与碱金属激光耦合；泵浦光的偏振状态为平行线偏振，碱金属激光的偏振态为垂直线偏振。第一偏振分光器6和第二偏振分光器8对水平偏振光的透过率在95％～100％之间，优选值为99％，或为95％，或为100％，第一偏振分光器6和第二偏振分光器8对垂直偏振光的反射率在95％～100％之间，优选值为99％，或为95％，或为100％。

高反射镜5和输出耦合镜9，用于实现碱金属原子的²P_1/2→²S_1/2跃迁对应波长的光放大，并使输出耦合镜9输出碱金属原子的²P_1/2→²S_1/2跃迁对应波长的激光。高反射镜5的反射率为99％～100％，典型值为99.5％，或为99％，或为100％。输出耦合镜9的输出耦合率为15％～90％，优选值为70％，或为15％，或为90％。

在微结构碱金属蒸气室7内部密封碱金属原子和缓冲气体，是实现激光输出的工作物质的载体。微结构碱金属蒸气室7的外观尺寸一般为厘米量级，优选值为1cm×1cm×0.3cm。微结构蒸气室7的内部气室尺寸一般为毫米量级，优选值为1mm×1mm×2mm或1mm×1mm×3mm、或1.2mm×1.2mm×2.5mm。

所述微结构碱金属蒸气室7包括：一硅片71、两块玻璃72、两块吸光片73，其中：硅片71具有一气室，硅片71位于两块玻璃72之间，硅片71的气室中充入缓冲气体和碱金属，并将硅片71和两块玻璃72键合形成具有激光加热的微结构碱金属室7；两个吸光片73包覆于一体结构的硅片71、两块玻璃72外部；吸光片73是外表保温处理的吸光片，吸收未被微结构碱金属蒸气室7吸收的泵浦光，并对微结构碱金属蒸气室7加热。

请参阅图3示出本发明微结构自加热碱金属激光器的制备方法，该方法的具体步骤包括：

步骤S1：在硅片71中制作一气室；

步骤S2：将硅片位于两玻璃72之间并键合，同时在气室中充入缓冲气体和碱金属原子，得到含有充入缓冲气体和碱金属的硅片71及两玻璃72组成的一体结构；

步骤S3：在吸光片73表面做保温层；

步骤S4：将具有保温层的吸光片73包覆于充入缓冲气体和碱金属的硅片71以及两玻璃72组成的一体结构的外部，形成激光加热微结构碱金属蒸气室7；

步骤S5：第一半导体激光器1和第二半导体激光器2分别输出泵浦光，第一整形聚焦单元3、第二整形聚焦单元4对对应的泵浦光聚焦，使聚焦泵浦光的束腰位置位于微结构碱金属蒸气室7的同侧吸光片73的通光孔的中心位置，将泵浦光用于微结构碱金属蒸气室7的加热和碱金属原子的激发态能级²P_1/2和基态能级²S_1/2之间的粒子数反转；

步骤S6：第一偏振分光器6、第二偏振分光器8，将接收端的泵浦光与碱金属激光耦合；

步骤S7：将第一整形聚焦单元3、第二整形聚焦单元4放置于对应的第一偏振分光器6、第二偏振分光器8和第一半导体激光器1、第二半导体激光器2之间；将高反射镜5和输出耦合镜9形成谐振腔；

步骤S8：在谐振腔中依次设置第一偏振分光器6、微结构碱金属蒸气室7、第二偏振分光器8；利用泵浦光聚焦后快速发散，未被利用的泵浦光被另一侧吸光片73强吸收加热微结构碱金属蒸气室；

步骤S9：在输出耦合镜9输出碱金属原子的²P_1/2→²S_1/2跃迁对应波长的线偏振激光。

本发明以铯蒸气激光器作为示范例对本发明的装置进行介绍。

微结构铯蒸气室基于玻璃72与硅片71的阳极键合技术实现，键合的同时，放入铯，并充入作为缓冲气体的甲烷，形成微结构碱金属蒸气室7。微结构铯蒸气室7的典型尺寸为1mm×1mm×2mm，玻璃72采用抗碱金属渗透以及键合均较好的康宁7740玻璃。

微结构铯蒸气室制作完成后，在微结构铯蒸气室两端贴附吸光片73。吸光片73选择对泵浦光强吸收且具有较好热传导率的材料，在实施例中，本发明吸光片73采用表面磨毛的紫铜片。在紫铜片的外表面包裹保温层，提高泵浦光加热的效率。吸光片73的作用是吸收未被微结构铯蒸气室利用的泵浦光，加热微结构铯蒸气室。

微结构铯蒸气激光器采用第一半导体激光器1和第二半导体激光器2双端泵浦，通过偏振分光立方体(PBS)实现泵浦光与碱金属激光的耦合，并调整第一半导体激光器1和第二半导体激光器2的整形及聚焦光路，使泵浦光的聚焦后的束腰处于吸光片73的通光孔中心位置。由于泵浦光聚焦后快速发散，未被利用的泵浦光被另一侧吸光片73强吸收，达到加热微结构蒸气室的目的。

实施例中，第一半导体激光器1、第二半导体激光器2采用双凹谐振腔，包括一面高反射镜5和一面输出耦合镜9，用于实现碱金属原子的²P_1/2→²S_1/2跃迁对应波长的激光输出。

本发明的可替代技术方案

(1)微结构碱金属蒸气室7的增益介质还可以是钠、钾、铷。

(2)吸光片73的材料还可以是石墨等吸光率和热传导率较高的材料。

(3)谐振腔还可以是平凹腔、平平腔等稳定腔腔型。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (10)

1.一种微结构自加热碱金属蒸气激光器，其特征在于包括：第一半导体激光器、第二半导体激光器、第一整形聚焦单元、第二整形聚焦单元、高反射镜、第一偏振分光器、微结构碱金属蒸气室、第二偏振分光器、输出耦合镜组成，其中：

第一整形聚焦单元位于第一偏振分光器和第一半导体激光器之间；第二整形聚焦单元位于第二偏振分光器和第二半导体激光器之间；在系统光轴上沿光束传播方向依次放置高反射镜、第一偏振分光器、微结构碱金属蒸气室、第二偏振分光器和输出耦合镜；

第一半导体激光器和第二半导体激光器分别输出泵浦光；

第一整形聚焦单元、第二整形聚焦单元对泵浦光聚焦，使聚焦泵浦光的束腰位置位于微结构碱金属蒸气室的通光孔的中心位置，利用泵浦光聚焦后快速发散的特点，将泵浦光用于微结构碱金属蒸气室的加热和碱金属原子的激发态能级²P_1/2和基态能级²S_1/2之间的粒子数反转；

第一偏振分光器、第二偏振分光器，用于将泵浦光与碱金属激光耦合；

高反射镜和输出耦合镜，用于实现碱金属原子的²P_1/2→²S_1/2跃迁对应波长的光放大，并通过输出耦合镜输出碱金属原子的²P_1/2→²S_1/2跃迁对应波长的激光。

2.根据权利要求1所述的微结构自加热碱金属蒸气激光器，其特征在于，所述输出泵浦光的波长与碱金属原子的²P_3/2→²S_1/2跃迁对应的波长相同，泵浦光的线宽与微结构碱金属蒸气室内缓冲气体加宽后的碱金属原子的²P_3/2→²S_1/2跃迁谱线线宽相匹配；泵浦光的线宽大于碰撞加宽后碱金属原子的²P_3/2→²S_1/2跃迁谱线的线宽，所述泵浦光线宽与碰撞加宽后碱金属原子的²P_3/2→²S_1/2跃迁谱线的线宽比值的优选值为3∶1。

3.根据权利要求1所述的微结构自加热碱金属蒸气激光器，其特征在于，泵浦光经第一整形聚焦单元和第二整形聚焦单元后，聚焦的束腰大小为0.3mm～2mm。

4.根据权利要求1所述的微结构自加热碱金属蒸气激光器，其特征在于，第一偏振分光器、第二偏振分光器是偏振立方体结构。

5.根据权利要求1所述的微结构自加热碱金属蒸气激光器，其特征在于，泵浦光的偏振状态为平行线偏振，碱金属激光的偏振态为垂直线偏振；第一偏振分光器和第二偏振分光器对水平偏振光的透过率在95％～100％之间，第一偏振分光器和第二偏振分光器对垂直偏振光的反射率在95％～100％之间。

6.根据权利要求1所述的微结构自加热碱金属蒸气激光器，其特征在于，高反射镜的反射率为99％～100％。

7.根据权利要求1所述的微结构自加热碱金属蒸气激光器，其特征在于，输出耦合镜的输出耦合率为15％～90％。

8.根据权利要求1所述的微结构自加热碱金属蒸气激光器，其特征在于，在微结构碱金属蒸气室的内部密封碱金属原子和缓冲气体。

9.根据权利要求1所述的微结构自加热碱金属蒸气激光器，其特征在于，所述微结构碱金属蒸气室包括：一硅片、两块玻璃、两块吸光片，其中：硅片具有一气室，硅片位于两块玻璃之间，硅片的气室中充入缓冲气体和碱金属，并将硅片和两块玻璃键合形成具有激光加热的微结构碱金属室；两个吸光片包覆于一体结构的硅片、两块玻璃外部；吸光片是外表保温处理的吸光片，吸收未被微结构碱金属蒸气室吸收的泵浦光，对微结构碱金属室加热。

10.一种微结构自加热碱金属蒸气激光器的制备方法，该方法的具体步骤包括：

步骤S1：在硅片中制作一气室；

步骤S2：将硅片位于两玻璃之间并键合，同时在气室中充入缓冲气体和碱金属原子，得到含有充入缓冲气体和碱金属的硅片及两玻璃组成的一体结构；

步骤S3：在吸光片表面做保温层；

步骤S4：将具有保温层的吸光片包覆于充入缓冲气体和碱金属的硅片以及两玻璃组成的一体结构的外部，形成激光加热微结构碱金属蒸气室；

步骤S5：第一半导体激光器和第二半导体激光器分别输出泵浦光，第一整形聚焦单元、第二整形聚焦单元对对应的泵浦光聚焦，使聚焦泵浦光的束腰位置位于微结构碱金属蒸气室的同侧吸光片的通光孔的中心位置，将泵浦光用于微结构碱金属蒸气室的加热和碱金属原子的激发态能级²P_1/2和基态能级²S_1/2之间的粒子数反转；

步骤S6：第一偏振分光器、第二偏振分光器，将接收端的泵浦光与碱金属激光耦合；

步骤S7：将第一整形聚焦单元、第二整形聚焦单元放置于对应的第一偏振分光器、第二偏振分光器和第一半导体激光器、第二半导体激光器之间；将高反射镜和输出耦合镜形成谐振腔；

步骤S8：在谐振腔中依次设置第一偏振分光器、微结构碱金属蒸气室、第二偏振分光器；利用泵浦光聚焦后快速发散，未被利用的泵浦光被另一侧吸光片强吸收加热微结构碱金属蒸气室；

步骤S9：在输出耦合镜输出碱金属原子的²P_1/2→²S_1/2跃迁对应波长的线偏振激光。