專利名稱：用分離場技術實現(xiàn)激光輸出的方法及分離場激光器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于激光技術領域，具體涉及用分離場技術實現(xiàn)激光輸出的方法 及其設備，產生的激光作為高準確度高穩(wěn)定度的相干激光光源，也可以用高 性能的光頻頻率標準。
背景技術：
拉姆塞(N. F. Ramsey)在1949年提出分離場技術并在頻率標準(原子鐘) 上的成功運用獲得1989年度諾貝爾物理學獎。至今，拉姆塞提出的分離場技 術已是所有高性能基準原子鐘和原子干涉儀的基礎。但是到目前為止，所有 分離場技術僅僅是用于測量物理粒子對電^f茲場的吸收頻譜方面，從來未被用 于物理粒子的受激發(fā)射電^f茲場的產生或測量上。換句話說，從來未被直接用 于產生激光輸出的激光器。發(fā)明內容本發(fā)明克服了普通激光器產生的激光信號線寬太寬準確度低且穩(wěn)定性差 的缺點，將波鐠學中的分離場技術首次應用于物理粒子的受激輻射電磁場的 產生上，即利用分離場技術直接產生激光輸出，提供一種產生分離場激光的 方法，相關的設備可稱為分離場激光器。這種新型激光器在技術特征上，此 激光器的激光增益介質與激光腔的場模有幾次時間域上分離開來的相干作 用。這種激光器輸出的激光具有一般激光器所沒有的一些優(yōu)點，如頻率穩(wěn)定 性好，頻率準確度高等。本發(fā)明的技術內容 一種用分離場技術實現(xiàn)激光輸出的方法，其步驟為
U)利用分離場技術，把激光諧振腔分成兩個或更多的折合部分，并使與同一原子發(fā)生作用的分離場光波相位差一定；(2) 原子束進入激光諧振腔之前先被泵浦到激發(fā)態(tài)，實現(xiàn)布居數(shù)反轉， 進入分離場激光諧振腔并與之相互作用；(3) 處于激發(fā)態(tài)的原子束先進入諧振腔的第一個分離場時，調整諧振腔 參數(shù)激發(fā)腔模與原子躍遷譜線匹配，當腔內增益大于損耗時形成激光震蕩， 原子有部分幾率受激發(fā)射而發(fā)出激光；(4) 原子飛出諧振腔的第一分離場，受到光柵的衍射和阻攔，只有部分 原子可以到達諧振腔的其他分離場，調整光柵常數(shù)與空間位置使部分原子順 利通過，原子與諧振腔分離場相互耦合，產生激光；(5)原子與諧振腔的所有分離場相互耦合產生出的激光信號，被檢測系 統(tǒng)接收或輸出提供應用?？刂浦C振腔的Q值，使腔模線寬大于甚至遠大于激光增益線寬?？刂魄荒?，使得所產生的激光信號的頻率線寬小于普通的拉姆塞分離場 受激吸收信號的頻率線寬。利用分離場技術，把激光諧振腔分成兩個或更多個的折合部分，為解釋 簡單起見，僅舉兩分離場的情形為例子來解釋工作原理。參考附圖，原子與 激光諧振腔分兩次相互耦合。處于激發(fā)態(tài)的原子束進入諧振腔的第一個分離 場時，發(fā)生部分躍遷，調整諧振腔參數(shù)激發(fā)腔模與原子躍遷鐠線匹配，可以 激發(fā)腔模與原子的作用強度，當腔內增益大于損耗時形成激光震蕩，發(fā)出激 光。然后原子飛出諧振腔的第一個分離場，進入諧振腔的第二個分離場再與 之發(fā)生相互作用。在此過程中要保證兩個相互作用區(qū)中的輻射場與原子作用 時的相位一致，或保持相位差恒定。由于光波波長很短，原子爐出射的發(fā)散 原子會破壞此條件，所以需要在諧振腔的兩個分離場之間放置特制的柵格， 使與同一原子發(fā)生作用的兩部分腔體內的光波相位一致，即相千而獲得增強 的激光信號，通過調整柵格常數(shù)可以使這部分原子順利通過。而那些在兩次 相互作用光波位相相消的原子就會被阻擋住，從而消除其對產生的激光信號 帶來的負面影響。也可以利用三個駐波的三分離場形式，或四行波的四分離場 形式來實現(xiàn)分離場激光而不必使用特制柵格來選擇特定的部分原子.一種分離場激光器，包括真空腔體，真空腔體內設有的原子爐、原子束準直器，泵浦激光器以及光電檢測裝置，其特征在于真空腔體內還設有， 與原子束垂直的由全反鏡、反射鏡組成包括兩個或多個分離場的激光諧振腔 和用于限制原子束的柵格，原子束從控溫后的原子爐噴出，準直后，先被泵 浦到激發(fā)態(tài)，實現(xiàn)布居數(shù)轉，再進入分離場激光諧振腔第一個部分與之相互作 用，飛出諧振腔的分離場第一個部分以后，受到光柵的衍射與阻攔，只有部 分原子可以到達諧振腔的分離場第二個部分，與諧振腔的分離場相互耦合， 產生出激光信號，被檢測系統(tǒng)接收或輸出應用。真空腔體設有若干個光窗，用于激光的輸入和輸出。本發(fā)明的技術效果本發(fā)明由于采用分離場技術，增加了原子束與諧振 腔的相互作用時間，減小了飛行時間增寬對激光線寬的影響，從而輸出激光 線寬明顯窄于普通的激光。分離場之間的干涉效應是任何傳統(tǒng)激光系統(tǒng)上所 沒有的，這種干涉效應極大地壓窄激光增益介質的增益線寬，而使所產生的分 離場激光信號的頻率線寬也遠小于各種傳統(tǒng)激光的輸出頻率線寬.而且由于 分離場腔的反饋作用，使得所產生的激光信號的頻率線寬也遠小于普通的拉 姆塞分離場受激吸收信號的頻率線寬。另外，通過控制諧振腔的Q值，可以 使腔模線寬大于甚至遠大于激光增益線寬，使形成的激光信號的的頻率線寬
很小，當外界擾動引起腔模發(fā)生變化時，輸出的激光頻率并不會發(fā)生明顯的 移動，只僅僅有很小的腔牽引效應，通過適當?shù)膮?shù)選擇與外部控制或調節(jié)， 可以極大地提高了激光輸出頻率的穩(wěn)定性。


附圖為實^r裝置示意圖，1—熱爐，加熱產生氣體原子或分子束流，2—準 直器，3—泵浦光，將原子由基態(tài)泵浦到激發(fā)態(tài)，4一構成激光腔的反射鏡與 部分透射鏡，5—原子束，6—PZT壓電陶瓷，用于調節(jié)腔長，7—柵格，8—激 光腔內與原子相互作用的駐光波，9一激光最后從部分透射鏡出射。
具體實施方式
在滿足了 一般激光器所必需的構建激光諧振腔并實現(xiàn)激光增益介質的粒 子能級間布居數(shù)反轉這兩個最基本條件的基礎上，本發(fā)明的技術特征是利用 分離場技術，把激光諧振腔分成兩個或更多的折合部分，激光的增益介質與激 光腔場的相互作用是空間或時間上分離開來的兩次或多次作用。附圖給出了 兩個折合部分的分離場激光諧振腔的示意結構。在這種特殊的激光諧振腔內，作為激光增益介質的粒子布居數(shù)反轉后與 腔場相干性地發(fā)生兩次受激輻射作用，將激光增益介質的粒子具有的能量注 入到激光諧振腔內，經過激光諧振腔的一個部分透射的端鏡，輸出激光。對于輸出激光的主要性能的優(yōu)化調節(jié)，具體包括調節(jié)粒子束流強度而調 節(jié)激光的泵浦率；調節(jié)腔模尺寸大小來調節(jié)原子與腔模的作用強度；調節(jié)兩 個分離場之間的距離來調節(jié)激光增益介質的有效增益線寬；調節(jié)激光諧振腔 的腔鏡反射率來調節(jié)輸出激光功率與線寬。調節(jié)泵浦激光的功率或其束腰與
原子束交叉的位置來調節(jié)增益介質的粒子的布居反轉數(shù)；通過壓電陶瓷調節(jié) 柵格位置來調節(jié)分離場之間的相位差.對于束流形式的激光增益束流介質，通過調節(jié)粒子束流強度而調節(jié)激光 的泵浦率，從而來調節(jié)輸出激光功率以優(yōu)化輸出激光具有所需性能參數(shù)到最 佳值，如以此來調節(jié)激光諧振腔內的平均光子數(shù)，使之較大以減小輸出激光 頻率線寬，又不至于太大使功率飽和效應在可以接受范圍之內。激光增益介 質粒子在進入激光諧振腔前由一個單獨受控制的激光器提供泵浦激光照射而 產生增益介質粒子能級間布居數(shù)反轉，并使增益介質粒子束流強度足夠以滿 足激光的閾值振蕩條件。具體的方法也包括直接在腔內對多能級激光增益介 質進行泵譜，技術上這些激光增益介質也可以是激光冷卻后的囚禁粒子，或 能級受外界的影響小到能滿足需要的任何氣體，液體或固體激光增益介質。也 可以用電激發(fā)的方法實現(xiàn)增益介質粒子能級間布居凄t反轉。分離場激光器的結構，參見附圖，下面進行描述發(fā)明主要包括由離子泵維持著高真空的真空腔體內以下部件1為熱爐， 加熱產生氣體原子或分子束，2是準直器，3是泵浦光，將原子由基態(tài)泵浦到 激發(fā)態(tài)，4為構成激光腔的反射鏡與部分透射鏡，5是原子束，6是PZT壓電 陶瓷，用于調節(jié)腔長，7為帶PZT壓電陶瓷柵格，8是激光腔內與原子相互作 用的駐光波，9為激光最后從部分透射鏡出射。該發(fā)明需在技術上將激光增益介質受外界的影響盡可能減小。對于原子 束，分子束,或離子束作為激光增益介質須在真空腔體中實現(xiàn)。真空腔體中的 高真空度長期要求由其相連的離子泵來維持。真空腔體的適當位置開有所需 要的光窗，以便激光耦合時輸出輸入真空腔體。也可在真空腔體內部裝置光 纖，由光纖耦合輸出激光。在真空腔體內有能夠產生原子束的原子爐，原子
爐的溫度決定于所用的原子，所需的原子流量等因素。由多個腔鏡4構成的 激光諧振腔固定在由低熱漲系數(shù)的玻璃或陶瓷加工而成腔隔離物件上。即腔 鏡4固定在低熱漲系數(shù)的玻璃或陶瓷加工的腔隔離物上。由腔鏡4構成的光 頻諧振腔的模式中心頻率可由溫度控制來調節(jié)，也可由一端加上壓電陶乾6 來實現(xiàn)。在工作時將腔的模式中心頻率調節(jié)到原子的躍遷i普線附近并鎖定， 這種鎖定由控制電路來實現(xiàn)?？刂魄粶囟然蚩刂茐弘娞沾梢彩峭ㄟ^控制電路 來實現(xiàn)。同時，由腔鏡4構成的光頻諧振腔的腔模線寬大于介質原子的增益 線寬。在原子束進入由腔鏡4構成的光頻諧振腔之前，有一外加的泵浦光3， 將原子從基態(tài)泵浦到所需的激發(fā)態(tài)上，實現(xiàn)在激光原理上所必須的粒子M 轉。分離場激光器各部件的連接關系，功能作用，和必要要求條件 真空腔體及其相連的離子泵用來保證整個分離場激光器主體部件能長期 工作于真空狀態(tài)。真空管上面開有光窗用于激光的饋入和輸出。在可能的條 件下可以用光纖替代。原子爐的爐體溫度和爐口孔的面積來決定我們可利用 的原子束的流量，即單位時間有多少原子可供利用。為了加大流量而不至于 同時加大發(fā)散角，可由長細管陣列組成爐孔。原子束從高溫的原子爐經由爐 孔噴出來后，進一步準直，可用小孔光攔，也可利用激光冷卻原理對原子束 的橫向發(fā)散進行激光準直。準直后原子束接著進入泵浦區(qū)與泵浦光3作用。 泵浦光3的功能是將處于基態(tài)的原子泵浦到激發(fā)態(tài)，也可以用電激發(fā)的方式 來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。泵浦光的光源可用腔穩(wěn)的半導體激光器來提供。泵浦光3 的頻率是鎖定在需要的原子譜特定值上。原子從泵浦光得到的能量將在由腔 鏡4構成的折疊光頻諧振腔中以分離場的形式受激輻射釋放出來，從而輸出 激光，實現(xiàn)本發(fā)明的分離場激光器。
最后，對于這種利用分離場技術產生高性能激光可能作出并未脫離所附 權利要求書限定的本發(fā)明的各種變更和改型。更具體地說，本發(fā)明并不限于 具體一種原子的一條躍遷譜線，而適用于任何具有相似能級結構物理粒子，如 原子，分子，以及離子。另外，分離場技術并不限于兩個腔，也可以多個腔分 離，原子束分別與他們相互作用，也可以產生這種高性能的激光，這也在本 發(fā)明所討論的權利要求范圍之內。
權利要求
1、一種用分離場技術實現(xiàn)激光輸出的方法，其步驟包括(1)利用分離場技術，把激光諧振腔分成兩個或更多的折合部分，并使與同一原子發(fā)生作用的分離場光波相位差一定；(2)原子束進入激光諧振腔之前先被泵浦到激發(fā)態(tài)，實現(xiàn)布居數(shù)反轉，進入分離場激光諧振腔并與之相互作用；(3)處于激發(fā)態(tài)的原子束先進入諧振腔的第一個分離場時，調整諧振腔參數(shù)激發(fā)腔模與原子躍遷譜線匹配，當腔內增益大于損耗時形成激光震蕩，原子有部分幾率受激發(fā)射而發(fā)出激光；(4)原子飛出諧振腔的第一分離場，受到光柵的衍射和阻攔，只有部分原子可以到達諧振腔的其他分離場，調整光柵常數(shù)與空間位置使部分原子順利通過，原子與諧振腔分離場相互耦合，產生激光；(5)原子與諧振腔的所有分離場相互耦合產生出的激光信號，被檢測系統(tǒng)接收或輸出提供應用。
2、 如權利要求1所述的用分離場技術實現(xiàn)激光輸出的方法，其特征在于 控制諧振腔的Q值，使腔模線寬遠大于激光增益線寬。
3、 如權利要求1或2所述的用分離場技術實現(xiàn)激光輸出的方法，其特征在于控制諧振腔的腔模，使得所產生的激光信號的頻率線寬小于普通 的拉姆塞分離場受激吸收信號的頻率線寬。
4、 如權利要求l所述的用分離場技術實現(xiàn)激光輸出的方法，其特征在于 在激光諧振腔中，對于兩個分離場,相鄰分離場之間放置柵格，使與同 一原子發(fā)生作用的分離場的光波相位一致。
5、 如權利要求l所述的用分離場技術實現(xiàn)激光輸出的方法，其特征在于 泵浦方法包括激光激發(fā)和電激發(fā)。
6、 一種分離場激光器，包括真空腔體，真空腔體內設有的原子爐、原子束 準直器，泵浦激光器以及光電檢測裝置，其特征在于真空腔體內還 設有，與原子束垂直的由全反鏡、反射鏡組成包括兩個或多個分離場 的激光諧振腔和用于限制原子束的柵格，原子束從控溫后的原子爐噴 出，準直后，先被泵浦到激發(fā)態(tài)，實現(xiàn)布居數(shù)轉，再進入分離場激光諧 振腔第一個部分與之相互作用，飛出諧振腔的分離場第一個部分以后， 受到光柵的衍射與阻攔，只有部分原子可以到達諧振腔的分離場第二 個部分，與諧振腔的分離場相互耦合，產生出激光信號，被檢測系統(tǒng) 接收或輸出應用。
7、 如權利要求6所述的分離場激光器，其特征在于真空腔體設有若干個 光窗，用于激光的輸入和輸出。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用分離場技術實現(xiàn)激光輸出的方法，屬于激光技術領域。該方法利用分離場技術，把激光諧振腔分成兩個或更多的折合部分，原子與激光諧振腔分多次相互耦合，增加了原子束與諧振腔的相互作用時間，減小了飛行時間增寬對激光線寬的影響，從而輸出激光線寬明顯窄于普通的激光。本發(fā)明同時提供一種分離場激光器，該激光器的激光增益介質與激光腔的場模有幾次時間域上分離開來的相干作用，具有頻率穩(wěn)定性好，頻率準確度高等特點。
文檔編號H01S3/10GK101127431SQ20061010965
公開日2008年2月20日 申請日期2006年8月15日 優(yōu)先權日2006年8月15日
發(fā)明者于得水, 偉 莊, 陳景標, 黃凱凱 申請人:北京大學