CN107069406A - 一种用于冷原子实验的671nm激光系统 - Google Patents

一种用于冷原子实验的671nm激光系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于冷原子实验的671nm激光系统，该激光系统包括：种子激光器、泵浦源、光学谐振腔、激光晶体、倍频晶体以及频率锁定模块；所述激光晶体以及所述倍频晶体位于所述光学谐振腔内；所述泵浦源用于出射泵浦光；所述种子激光器用于出射种子光；所述泵浦光入射所述光学谐振腔后，在所述激光晶体内生成与所述种子光波长相同的基频激光；所述种子光与所述基频激光在所述光学谐振腔内振荡，并通过所述倍频晶体的倍频处理以及所述频率锁定模块的频率锁定处理，形成单频的预设波长的目标激光。本发明技术方案使用注入锁定腔内倍频技术，实现大功率单频671nm激光的输出，其频率可调，腔结构简单，易于实现，能够直接用于冷原子物理实验。

Description

一种用于冷原子实验的671nm激光系统
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，更具体的说，涉及一种用于冷原子实验的671nm激光系统。
背景技术
近年来冷原子物理实验日益成为物理学热点研究领域之一。锂(Li)原子是冷原子实验研究量子气体的最佳选择之一，其研究需要使用与Li原子D谱线共振的671nm激光来冷却原子。为了实现尽可能多数量的量子简并气体，实验上一般需要瓦量级及以上的大功率单频激光器，同时激光的频率还需要可调谐，能够进行饱和吸收稳频等。目前实验中采用的商用单频可调谐671nm激光器普遍输出功率较小，不能满足实验日益增长的需求。
近期关于671nm波段全固态激光器的报道日渐增多，大部分集中在多纵模激光上，不能直接应用于冷原子物理实验。商用报道的单频671nm全固态激光功率有2.5W，然而其频率不能进行调谐，也没法进行频率锁定。国内专利报道的671nm激光器220mW，结构过程极其复杂，文献报道的获得了5.7W的单频671nm功率，然而其使用了独特加工的倍频晶体进行腔外倍频，复制难度极大，倍频效率也较低。
当前阶段，获得大功率可调谐单频671nm激光的最有效方法使用全固态激光器，一般的全固态激光器要实现单模必须在腔内插入法拉第旋转器、半波片以及标准具等光学元件，这些额外的元件会产生较多损耗，限制功率提升。使用注入锁定技术可以将微弱的种子激光注入到激光器的谐振腔，使之不需要其他器件就可沿注入方向形成环形腔，降低了腔内损耗，而在倍频产生671nm激光的方式上，为了倍频效率选择腔内倍频的方式更加合适，其倍频效率一般高于腔外倍频方式。一种公知的注入锁定腔内倍频激光器是中国专利CN105449511A所揭示的现有专利文献中公开的注入锁定腔内倍频激光器的环形腔是由六块腔镜组成，腔镜数量较多也会造成损耗增加，并且增加了成本和不稳定因素。
通过上述描述可知，目前还没有基于注入锁定腔内倍频技术的671nm激光器被报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于冷原子实验的671nm激光系统，使用注入锁定腔内倍频技术，实现大功率单频671nm激光的输出，其频率可调，腔结构简单，易于实现，能够直接用于冷原子物理实验。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种用于冷原子实验的671nm激光系统，所述激光系统包括：种子激光器、泵浦源、光学谐振腔、激光晶体、倍频晶体以及频率锁定模块；
所述激光晶体以及所述倍频晶体位于所述光学谐振腔内；
所述泵浦源用于出射泵浦光；
所述种子激光器用于出射种子光；
所述泵浦光入射所述光学谐振腔后，在所述激光晶体内生成与所述种子光波长相同的基频激光；
所述种子光与所述基频激光在所述光学谐振腔内振荡，并通过所述倍频晶体的倍频处理以及所述频率锁定模块的频率锁定处理，形成单频的预设波长的目标激光。
优选的，在上述激光系统中，所述光学谐振腔为四腔镜折叠型环腔；
所述为四腔镜折叠型环腔包括：第一平面镜、第二平面镜、第一凹面镜以及第二凹面镜；
其中，所述激光晶体位于所述第一平面镜以及所述第二平面镜之间；所述倍频晶体位于所述第一凹面镜以及所述第二凹面镜之间；所述目标激光通过所述第一凹面镜出射。
优选的，在上述激光系统中，所述泵浦光通过光纤以及泵浦源光耦合透镜装置后入射所述第一平面镜，通过所述第一平面镜后入射所述激光晶体。
优选的，在上述激光系统中，所述泵浦源为888nm的半导体激光器、或808nm的半导体激光器、或880nm的半导体激光器；
所述泵浦源出射的所述泵浦光入射所述泵浦源光耦合透镜装置，通过所述泵浦源光耦合透镜装置整形后入射所述第一平面镜。
优选的，在上述激光系统中，所述种子光依次通过光纤、种子光耦合透镜装置、光隔离器以及双色镜后入射所述第二平面镜，通过所述第二平面镜入射所述激光晶体。
优选的，在上述激光系统中，所述双色镜反射所述种子光入射所述第二平面镜，透射所述泵浦光；
所述双色镜透射的激光入射光垃圾桶。
优选的，在上述激光系统中，所述频率锁定模块连接有压电陶瓷、饱和吸收模块以及光电探测器；
所述压电陶瓷固定在所述第二凹面镜上；
所述饱和吸收模块用于采集所述第一凹面镜出射的部分所述目标激光，将采集的激光反馈给所述激光锁频模块；
所述光电探测器用于采集所示第二平面镜出射的部分所述基频激光，将采集的激光反馈给所述激光锁频模块；
所述激光锁频模块根据所述饱和吸收模块采集的激光以及所述光电探测器采集的激光，通过所述压电陶瓷调节所述光学谐振腔的腔长，以实现腔长同所述种子光频率的锁定，使得所述种子光可以在所述光学谐振腔内共振，实现稳定的放大。
优选的，在上述激光系统中，所述种子光为1342nm激光；
所述目标激光为671nm激光。
优选的，在上述激光系统中，所述激光晶体为掺钕钒酸钇晶体。
优选的，在上述激光系统中，所述倍频晶体为周期性极化磷酸氧钛钾晶体。
通过上述描述可知，本发明技术方案提供的用于冷原子实验的671nm激光系统使用注入锁定技术，将种子光注入光学谐振腔，直接形成单向环形腔，不需使用法拉第旋转器、半波片以及标准具等光学元件，减小了腔内损耗，提高出射目标激光功率。
同时，该激光系统中光学谐振腔设计简洁，只需要4块腔镜就可以实现，也减小了腔镜带来的损耗。该激光系统使用了腔内倍频原理，更有效地提高了倍频效率。通过频率锁定模块的控制，可以使得该激光系统产生瓦量级以上的大功率单频671nm激光，可直接用于冷锂原子相关的物理实验。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种用于冷原子实验的671nm激光系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1，图1为本发明实施例提供的一种用于冷原子实验的671nm激光系统的结构示意图，该激光系统包括：种子激光器1、泵浦源13、光学谐振腔、激光晶体7、倍频晶体11以及频率锁定模块19。
所述激光晶体7以及所述倍频晶体11位于所述光学谐振腔内。所述泵浦源13用于出射泵浦光。所述种子激光器1用于出射种子光。所述泵浦光入射所述光学谐振腔后，在所述激光晶体7内生成与所述种子光波长相同的基频激光。
所述种子光与所述基频激光在所述光学谐振腔内振荡，并通过所述倍频晶体11的倍频处理以及所述频率锁定模块19的频率锁定处理，形成单频的预设波长的目标激光。所述频率锁定模块19可以配合压电陶瓷和光电探测器，使得光学谐振腔的腔长同种子光频率的锁定，使得种子光可以在光学谐振腔里共振，以生成单频大功率的目标激光。
可选的，所述种子光为1342nm激光。可以采用888nm、或808nm、或880nm的激光作为泵浦光。具体的可以采用1342nm的单频窄线宽可调谐半导体激光器作为种子激光器1。
通过本发明实施例所述激光系统可以出射单频大功率的671nm激光，该波长的激光可以用于冷原子实验。
本发明实施例所述激光系统采用环形的光学谐振腔，具体的该光学谐振腔为四腔镜折叠型环腔。如图1所示，所述为四腔镜折叠型环腔包括：第一平面镜8、第二平面镜6、第一凹面镜12以及第二凹面镜9。
其中，所述激光晶体7位于所述第一平面镜8以及所述第二平面镜6之间；所述倍频晶体11位于所述第一凹面镜12以及所述第二凹面镜9之间；所述目标激光通过所述第一凹面镜12出射。
可选的，所述激光晶体7为掺钕钒酸钇晶体(Nd：YVO4)，所述倍频晶体11为周期性极化磷酸氧钛钾晶体(ppKTP)。所述激光晶体7安装在带水冷的结构件上。可以将所述倍频晶体11置于第一凹面镜12以及第二凹面镜9之间的激光束腰位置，所述倍频晶体11安装在温控的结构件上。
可选的，第一平面镜8、第二平面镜6、第一凹面镜12以及第二凹面镜9分别位于同一四边形的四个顶点。第一平面镜8与第二凹面镜9位于该四边形的相对的两个顶点。第二平面镜6与第一凹面镜12位于该四边形的相对的两个顶点。在图1所示实施方式中，该四边形为等腰梯形。
所述泵浦源13出射的泵浦光通过光纤14以及泵浦源光耦合透镜装置15后入射所述第一平面镜8，通过所述第一平面镜8后入射所述激光晶体7。
所述泵浦源13为888nm的半导体激光器、或808nm的半导体激光器、或880nm的半导体激光器。所述泵浦源13出射的所述泵浦光入射所述泵浦源光耦合透镜装置15，通过所述泵浦源光耦合透镜装置15整形后入射所述第一平面镜8，而后入射激光晶体7。
所述种子激光器1出射的种子光依次通过光纤2、种子光耦合透镜装置3、光隔离器4以及双色镜5后入射所述第二平面镜6，通过所述第二平面镜入射所述激光晶体7。所述双色镜5反射所述种子光入射所述第二平面镜6，透射所述泵浦光。所述双色镜5透射的激光入射光垃圾桶16。光垃圾桶16可以为吸光黑体。双色镜5投射泵浦光，反射与种子激光同波长的激光。
泵浦光入射激光晶体7后，由于能级跃迁，部分泵浦光激发激光晶体出射与种子光波长相同的基频激光。剩余的部分泵浦光通过第二平面镜6以及双色镜5后入射光垃圾桶16。
所述频率锁定模块19连接有压电陶瓷10、饱和吸收模块20以及光电探测器18。所述频率锁定模块19还与所述种子激光器1连接。
本发明实施例提供的激光系统中，激光锁频模块19具有控制、锁相放大、相位检测、信号发生以及高压放大等功能，可以配合压电陶瓷10和光电探测器18，通过PDH(ound-Drever-Hall)方法实现腔长同种子光频率的锁定，使得种子光可以在光学谐振腔里共振，实现稳定的放大。
所述压电陶瓷10固定在所述第二凹面镜9上。具体的，所述压电陶瓷10安装在所述第二凹面镜9的背面。可以通过胶层将压电陶瓷粘结固定在第二凹面镜9的背面。当为压电陶瓷施加电压时，可以改变压电陶瓷的厚度，从而改变光学谐振腔的腔长。
所述饱和吸收模块20用于采集所述第一凹面镜12出射的部分所述目标激光，将采集的激光反馈给所述激光锁频模块19。所述饱和吸收模块20探测从第一凹面镜20出射的目标激光，根据探测的结果反馈误差信号给激光锁频模块19，以便于所述激光锁频模块19控制种子激光器1使目标激光锁在Li原子的饱和吸收谱上。
所述光电探测器18用于采集所示第二平面镜6出射的部分所述基频激光，将采集的激光反馈给所述激光锁频模块19。所述光电探测器18根据从第二平面镜6出射的基频激光，输出电信号给所述激光锁频模块19。具体的，第二平面镜6出射的部分所述基频激光通过反射镜17入射光电探测器18。基频激光从第二平面镜6射后，入射反射镜17。反射镜17具有相对于基频激光的低反射率镀膜，反射几毫瓦功率输出激光到光电探测器18，一般与光电探测器18生成电信号传输给激光锁频模块19。
所述激光锁频模块19根据所述饱和吸收模块20采集的激光以及所述光电探测器18采集的激光，通过所述压电陶瓷10调节所述光学谐振腔的腔长，以实现腔长同所述种子光频率的锁定，使得所述种子光可以在所述光学谐振腔内共振，实现稳定的频率放大。
以888nm泵浦光、1342nm种子光生成671nm目标激光为例，结合相关参数具体说明该激光系统的工作过程：
种子光激光器1可以输出连续的单频1342nm种子光，频率可调谐，线宽较窄，输出功率在百十毫瓦量级。种子光通过种子光耦合透镜装置3的种子光与谐振腔的振荡模式匹配，之后经过光隔离器4，防止向后反射的激光进入种子光激光器1，防止反射干扰种子光。进入光学谐振腔的种子光与光学谐振腔的振荡模式匹配。
泵浦源13使用888nm半导体激光器，功率范围达一百瓦，光纤14输出泵浦光通过泵浦源光耦合透镜装置15，使泵浦光的束腰在激光晶体7中，并且有合适匹配腔模式的束腰大小。剩余泵浦光穿过谐振腔之后通过双色镜5被光垃圾桶16收集。
可选的，激光晶体7长度30mm，横截面为4mm×4mm，0.5at.％的掺杂浓度，表面镀1342nm和888nm增透膜。激光晶体7利用水冷散热，以控制激光晶体7的温度。激光晶体7产生1342nm基频激光。由于光学谐振腔内种子光的存在，基频激光将沿种子光方向振荡，形成单向环形腔，并且与种子光以相同模式和方向振荡。倍频晶体11的长度为20mm，高为1mm，宽为2mm。1342nm的基频光经过倍频晶体11后，产生671nm的目标激光，第一凹面镜12出射。残余1342nm光经过第一凹面镜12反射后，通过第一平面镜6从出射。
第一平面镜8的镀膜高反1342nm，高透888nm，第二平面镜6的镀膜高透888nm，1342nm透过率控制在5％左右。第一凹面镜12镀膜高反1342nm，高透671nm，第二凹面镜9镀膜高反1342nm，高透671nm。第一凹面镜12以及第二凹面镜9的曲率半径100mm。
本发明实施例中，频率锁定的实现方法具体为：所述激光锁频模块19通过给种子激光器1施加一个小幅的交变电流信号作为调制信号，采用PDH锁频技术，使调制信号经过移相后同光电探测器18测量的输出信号进行混频，混频信号再经过低通滤波产生误差信号，利用误差信号进行反馈控制，输出信号经过高压放大传递给压电陶瓷10，电压信号会使压电陶瓷10长度改变，从而使腔长时刻保持与种子光共振。同时通过饱和吸收法探测671nm激光，反馈误差信号给频率锁定模块19，输出电流信号给种子激光器1，进而将产生的671nm激光频率锁在锂的饱和吸收谱上，实现饱和吸收稳频，从而实现对锂原子的冷却和操作。
通过上述描述可知，本发明实施例提供的激光系统使用注入锁定腔内倍频技术，实现大功率单频671nm激光的输出，其频率可调，腔结构简单，易于实现，能够直接用于冷原子物理实验。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种用于冷原子实验的671nm激光系统，其特征在于，包括：种子激光器、泵浦源、光学谐振腔、激光晶体、倍频晶体以及频率锁定模块；
所述激光晶体以及所述倍频晶体位于所述光学谐振腔内；
所述泵浦源用于出射泵浦光；
所述种子激光器用于出射种子光；
所述泵浦光入射所述光学谐振腔后，在所述激光晶体内生成与所述种子光波长相同的基频激光；
所述种子光与所述基频激光在所述光学谐振腔内振荡，并通过所述倍频晶体的倍频处理以及所述频率锁定模块的频率锁定处理，形成单频的预设波长的目标激光。
2.根据权利要求1所述的激光系统，其特征在于，所述光学谐振腔为四腔镜折叠型环腔；
所述为四腔镜折叠型环腔包括：第一平面镜、第二平面镜、第一凹面镜以及第二凹面镜；
其中，所述激光晶体位于所述第一平面镜以及所述第二平面镜之间；所述倍频晶体位于所述第一凹面镜以及所述第二凹面镜之间；所述目标激光通过所述第一凹面镜出射。
3.根据权利要求2所述的激光系统，其特征在于，所述泵浦光通过光纤以及泵浦源光耦合透镜装置后入射所述第一平面镜，通过所述第一平面镜后入射所述激光晶体。
4.根据权利要求3所述的激光系统，其特征在于，所述泵浦源为888nm的半导体激光器、或808nm的半导体激光器、或880nm的半导体激光器；
所述泵浦源出射的所述泵浦光入射所述泵浦源光耦合透镜装置，通过所述泵浦源光耦合透镜装置整形后入射所述第一平面镜。
5.根据权利要求2所述的激光系统，其特征在于，所述种子光依次通过光纤、种子光耦合透镜装置、光隔离器以及双色镜后入射所述第二平面镜，通过所述第二平面镜入射所述激光晶体。
6.根据权利要求5所述的激光系统，其特征在于，所述双色镜反射所述种子光入射所述第二平面镜，透射所述泵浦光；
所述双色镜透射的激光入射光垃圾桶。
7.根据权利要求2所述的激光系统，其特征在于，所述频率锁定模块连接有压电陶瓷、饱和吸收模块以及光电探测器；
所述压电陶瓷固定在所述第二凹面镜上；
所述饱和吸收模块用于采集所述第一凹面镜出射的部分所述目标激光，将采集的激光反馈给所述激光锁频模块；
所述光电探测器用于采集所示第二平面镜出射的部分所述基频激光，将采集的激光反馈给所述激光锁频模块；
所述激光锁频模块根据所述饱和吸收模块采集的激光以及所述光电探测器采集的激光，通过所述压电陶瓷调节所述光学谐振腔的腔长，以实现腔长同所述种子光频率的锁定，使得所述种子光可以在所述光学谐振腔内共振，实现稳定的放大。
8.根据权利要求1所述的激光系统，其特征在于，所述种子光为1342nm激光；
所述目标激光为671nm激光。
9.根据权利要求1所述的激光系统，其特征在于，所述激光晶体为掺钕钒酸钇晶体。
10.根据权利要求1所述的激光系统，其特征在于，所述倍频晶体为周期性极化磷酸氧钛钾晶体。
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