专利名称：用分离场技术实现激光输出的方法及分离场激光器的制作方法
技术领域：
本发明属于激光技术领域，具体涉及用分离场技术实现激光输出的方法 及其设备，产生的激光作为高准确度高稳定度的相干激光光源，也可以用高 性能的光频频率标准。
背景技术：
拉姆塞(N. F. Ramsey)在1949年提出分离场技术并在频率标准(原子钟) 上的成功运用获得1989年度诺贝尔物理学奖。至今，拉姆塞提出的分离场技 术已是所有高性能基准原子钟和原子干涉仪的基础。但是到目前为止，所有 分离场技术仅仅是用于测量物理粒子对电^f兹场的吸收频谱方面，从来未被用 于物理粒子的受激发射电^f兹场的产生或测量上。换句话说，从来未被直接用 于产生激光输出的激光器。发明内容本发明克服了普通激光器产生的激光信号线宽太宽准确度低且稳定性差 的缺点，将波镨学中的分离场技术首次应用于物理粒子的受激辐射电磁场的 产生上，即利用分离场技术直接产生激光输出，提供一种产生分离场激光的 方法，相关的设备可称为分离场激光器。这种新型激光器在技术特征上，此 激光器的激光增益介质与激光腔的场模有几次时间域上分离开来的相干作 用。这种激光器输出的激光具有一般激光器所没有的一些优点，如频率稳定 性好，频率准确度高等。本发明的技术内容 一种用分离场技术实现激光输出的方法，其步骤为
U)利用分离场技术，把激光谐振腔分成两个或更多的折合部分，并使与同一原子发生作用的分离场光波相位差一定；(2) 原子束进入激光谐振腔之前先被泵浦到激发态，实现布居数反转， 进入分离场激光谐振腔并与之相互作用；(3) 处于激发态的原子束先进入谐振腔的第一个分离场时，调整谐振腔 参数激发腔模与原子跃迁谱线匹配，当腔内增益大于损耗时形成激光震荡， 原子有部分几率受激发射而发出激光；(4) 原子飞出谐振腔的第一分离场，受到光栅的衍射和阻拦，只有部分 原子可以到达谐振腔的其他分离场，调整光栅常数与空间位置使部分原子顺 利通过，原子与谐振腔分离场相互耦合，产生激光；(5)原子与谐振腔的所有分离场相互耦合产生出的激光信号，被检测系 统接收或输出提供应用。控制谐振腔的Q值，使腔模线宽大于甚至远大于激光增益线宽。控制腔模，使得所产生的激光信号的频率线宽小于普通的拉姆塞分离场 受激吸收信号的频率线宽。利用分离场技术，把激光谐振腔分成两个或更多个的折合部分，为解释 简单起见，仅举两分离场的情形为例子来解释工作原理。参考附图，原子与 激光谐振腔分两次相互耦合。处于激发态的原子束进入谐振腔的第一个分离 场时，发生部分跃迁，调整谐振腔参数激发腔模与原子跃迁镨线匹配，可以 激发腔模与原子的作用强度，当腔内增益大于损耗时形成激光震荡，发出激 光。然后原子飞出谐振腔的第一个分离场，进入谐振腔的第二个分离场再与 之发生相互作用。在此过程中要保证两个相互作用区中的辐射场与原子作用 时的相位一致，或保持相位差恒定。由于光波波长很短，原子炉出射的发散 原子会破坏此条件，所以需要在谐振腔的两个分离场之间放置特制的栅格， 使与同一原子发生作用的两部分腔体内的光波相位一致，即相千而获得增强 的激光信号，通过调整栅格常数可以使这部分原子顺利通过。而那些在两次 相互作用光波位相相消的原子就会被阻挡住，从而消除其对产生的激光信号 带来的负面影响。也可以利用三个驻波的三分离场形式，或四行波的四分离场 形式来实现分离场激光而不必使用特制栅格来选择特定的部分原子.一种分离场激光器，包括真空腔体，真空腔体内设有的原子炉、原子束准直器，泵浦激光器以及光电检测装置，其特征在于真空腔体内还设有， 与原子束垂直的由全反镜、反射镜组成包括两个或多个分离场的激光谐振腔 和用于限制原子束的栅格，原子束从控温后的原子炉喷出，准直后，先被泵 浦到激发态，实现布居数转，再进入分离场激光谐振腔第一个部分与之相互作 用，飞出谐振腔的分离场第一个部分以后，受到光栅的衍射与阻拦，只有部 分原子可以到达谐振腔的分离场第二个部分，与谐振腔的分离场相互耦合， 产生出激光信号，被检测系统接收或输出应用。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采用分离场技术，增加了原子束与谐振 腔的相互作用时间，减小了飞行时间增宽对激光线宽的影响，从而输出激光 线宽明显窄于普通的激光。分离场之间的干涉效应是任何传统激光系统上所 没有的，这种干涉效应极大地压窄激光增益介质的增益线宽，而使所产生的分 离场激光信号的频率线宽也远小于各种传统激光的输出频率线宽.而且由于 分离场腔的反馈作用，使得所产生的激光信号的频率线宽也远小于普通的拉 姆塞分离场受激吸收信号的频率线宽。另外，通过控制谐振腔的Q值，可以 使腔模线宽大于甚至远大于激光增益线宽，使形成的激光信号的的频率线宽
很小，当外界扰动引起腔模发生变化时，输出的激光频率并不会发生明显的 移动，只仅仅有很小的腔牵引效应，通过适当的参数选择与外部控制或调节， 可以极大地提高了激光输出频率的稳定性。
附图为实^r装置示意图，1—热炉，加热产生气体原子或分子束流，2—准 直器，3—泵浦光，将原子由基态泵浦到激发态，4一构成激光腔的反射镜与 部分透射镜，5—原子束，6—PZT压电陶瓷，用于调节腔长，7—栅格，8—激 光腔内与原子相互作用的驻光波，9一激光最后从部分透射镜出射。
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，本发明的技术特征是利用 分离场技术，把激光谐振腔分成两个或更多的折合部分，激光的增益介质与激 光腔场的相互作用是空间或时间上分离开来的两次或多次作用。附图给出了 两个折合部分的分离场激光谐振腔的示意结构。在这种特殊的激光谐振腔内，作为激光增益介质的粒子布居数反转后与 腔场相干性地发生两次受激辐射作用，将激光增益介质的粒子具有的能量注 入到激光谐振腔内，经过激光谐振腔的一个部分透射的端镜，输出激光。对于输出激光的主要性能的优化调节，具体包括调节粒子束流强度而调 节激光的泵浦率；调节腔模尺寸大小来调节原子与腔模的作用强度；调节两 个分离场之间的距离来调节激光增益介质的有效增益线宽；调节激光谐振腔 的腔镜反射率来调节输出激光功率与线宽。调节泵浦激光的功率或其束腰与
原子束交叉的位置来调节增益介质的粒子的布居反转数；通过压电陶瓷调节 栅格位置来调节分离场之间的相位差.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，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，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。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需要的任何气体，液体或固体激光增益介质。也 可以用电激发的方法实现增益介质粒子能级间布居凄t反转。分离场激光器的结构，参见附图，下面进行描述发明主要包括由离子泵维持着高真空的真空腔体内以下部件1为热炉， 加热产生气体原子或分子束，2是准直器，3是泵浦光，将原子由基态泵浦到 激发态，4为构成激光腔的反射镜与部分透射镜，5是原子束，6是PZT压电 陶瓷，用于调节腔长，7为带PZT压电陶瓷栅格，8是激光腔内与原子相互作 用的驻光波，9为激光最后从部分透射镜出射。该发明需在技术上将激光增益介质受外界的影响尽可能减小。对于原子 束，分子束,或离子束作为激光增益介质须在真空腔体中实现。真空腔体中的 高真空度长期要求由其相连的离子泵来维持。真空腔体的适当位置开有所需 要的光窗，以便激光耦合时输出输入真空腔体。也可在真空腔体内部装置光 纤，由光纤耦合输出激光。在真空腔体内有能够产生原子束的原子炉，原子
炉的温度决定于所用的原子，所需的原子流量等因素。由多个腔镜4构成的 激光谐振腔固定在由低热涨系数的玻璃或陶瓷加工而成腔隔离物件上。即腔 镜4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4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乾6 来实现。在工作时将腔的模式中心频率调节到原子的跃迁i普线附近并锁定， 这种锁定由控制电路来实现。控制腔温度或控制压电陶瓷也是通过控制电路 来实现。同时，由腔镜4构成的光频谐振腔的腔模线宽大于介质原子的增益 线宽。在原子束进入由腔镜4构成的光频谐振腔之前，有一外加的泵浦光3， 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M 转。分离场激光器各部件的连接关系，功能作用，和必要要求条件 真空腔体及其相连的离子泵用来保证整个分离场激光器主体部件能长期 工作于真空状态。真空管上面开有光窗用于激光的馈入和输出。在可能的条 件下可以用光纤替代。原子炉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。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，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3作用。 泵浦光3的功能是将处于基态的原子泵浦到激发态，也可以用电激发的方式 来实现粒子数反转。泵浦光的光源可用腔稳的半导体激光器来提供。泵浦光3 的频率是锁定在需要的原子谱特定值上。原子从泵浦光得到的能量将在由腔 镜4构成的折叠光频谐振腔中以分离场的形式受激辐射释放出来，从而输出 激光，实现本发明的分离场激光器。
最后，对于这种利用分离场技术产生高性能激光可能作出并未脱离所附 权利要求书限定的本发明的各种变更和改型。更具体地说，本发明并不限于 具体一种原子的一条跃迁谱线，而适用于任何具有相似能级结构物理粒子，如 原子，分子，以及离子。另外，分离场技术并不限于两个腔，也可以多个腔分 离，原子束分别与他们相互作用，也可以产生这种高性能的激光，这也在本 发明所讨论的权利要求范围之内。
权利要求
1、一种用分离场技术实现激光输出的方法，其步骤包括(1)利用分离场技术，把激光谐振腔分成两个或更多的折合部分，并使与同一原子发生作用的分离场光波相位差一定；(2)原子束进入激光谐振腔之前先被泵浦到激发态，实现布居数反转，进入分离场激光谐振腔并与之相互作用；(3)处于激发态的原子束先进入谐振腔的第一个分离场时，调整谐振腔参数激发腔模与原子跃迁谱线匹配，当腔内增益大于损耗时形成激光震荡，原子有部分几率受激发射而发出激光；(4)原子飞出谐振腔的第一分离场，受到光栅的衍射和阻拦，只有部分原子可以到达谐振腔的其他分离场，调整光栅常数与空间位置使部分原子顺利通过，原子与谐振腔分离场相互耦合，产生激光；(5)原子与谐振腔的所有分离场相互耦合产生出的激光信号，被检测系统接收或输出提供应用。
2、 如权利要求1所述的用分离场技术实现激光输出的方法，其特征在于 控制谐振腔的Q值，使腔模线宽远大于激光增益线宽。
3、 如权利要求1或2所述的用分离场技术实现激光输出的方法，其特征在于控制谐振腔的腔模，使得所产生的激光信号的频率线宽小于普通 的拉姆塞分离场受激吸收信号的频率线宽。
4、 如权利要求l所述的用分离场技术实现激光输出的方法，其特征在于 在激光谐振腔中，对于两个分离场,相邻分离场之间放置栅格，使与同 一原子发生作用的分离场的光波相位一致。
5、 如权利要求l所述的用分离场技术实现激光输出的方法，其特征在于 泵浦方法包括激光激发和电激发。
6、 一种分离场激光器，包括真空腔体，真空腔体内设有的原子炉、原子束 准直器，泵浦激光器以及光电检测装置，其特征在于真空腔体内还 设有，与原子束垂直的由全反镜、反射镜组成包括两个或多个分离场 的激光谐振腔和用于限制原子束的栅格，原子束从控温后的原子炉喷 出，准直后，先被泵浦到激发态，实现布居数转，再进入分离场激光谐 振腔第一个部分与之相互作用，飞出谐振腔的分离场第一个部分以后， 受到光栅的衍射与阻拦，只有部分原子可以到达谐振腔的分离场第二 个部分，与谐振腔的分离场相互耦合，产生出激光信号，被检测系统 接收或输出应用。
7、 如权利要求6所述的分离场激光器，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。
全文摘要
本发明提供一种用分离场技术实现激光输出的方法，属于激光技术领域。该方法利用分离场技术，把激光谐振腔分成两个或更多的折合部分，原子与激光谐振腔分多次相互耦合，增加了原子束与谐振腔的相互作用时间，减小了飞行时间增宽对激光线宽的影响，从而输出激光线宽明显窄于普通的激光。本发明同时提供一种分离场激光器，该激光器的激光增益介质与激光腔的场模有几次时间域上分离开来的相干作用，具有频率稳定性好，频率准确度高等特点。
文档编号H01S3/10GK101127431SQ20061010965
公开日2008年2月20日 申请日期2006年8月15日 优先权日2006年8月15日
发明者于得水, 伟 庄, 陈景标, 黄凯凯 申请人:北京大学