一种原子-腔耦合产生高阶横模的方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及量子光学中光与物质相互作用技术领域，具体是基于腔内介质在强耦合场作用下，对腔模的折射率产生调制，从而实现一种原子-腔耦合产生高阶横模的方法及装置。
【背景技术】
[0002]在激光技术领域，定义垂直于光的传播方向上某一横截面上的稳定场分布称为光的横模，即横截面上光强的分布，与单横模运转的激光相比，由于激光的高阶横模如厄米高斯模、拉盖尔高斯模和恩司高斯模等，具有更为复杂的空间结构，包含光场更多的振幅和相位信息，因此在量子信息存储，量子通讯，激光精密测量等研领域，越来越受到人们的广泛关注，现有的产生激光高阶横模的方法大致分两类:第一类是内腔选模法，第二类是外腔选模法。
[0003]内腔选模法，是指在激光器谐振腔内直接选择单一指定的高阶横模运转输出，主要途径包括两种:第一种是在激光器谐振腔内插入相位为0-31分布的相位片，通过增强谐振腔对低阶模式的衍射损耗来实现目标高阶模式的输出，这种方法的缺点是不能根据实际需要而有效地改变预期输出高阶横模光束，存在一定的局限性，而且由于在激光器谐振腔中引入了额外的器件，增加了调节的难度和工作量，大大降低了系统的可靠性；第二种是通过对激光器谐振腔的腔镜进行变形，从而实现高阶横模的选择输出，该方法的缺点是在改变输出的高阶横模模式时，需要重新计算目标高阶模式的振幅及位相分布，然后将计算数据反馈回激光器腔内高反射率腔镜处，得到高反射率腔镜处的目标复振幅；再通过计算得到高反射率腔镜处目标复振幅的相位，从而确定激光器高反射率腔镜的面形变化参数，实现腔镜的变形，该方法操作相对比较复杂，计算量大，需特殊材质的可变形腔镜，成本较高；内腔选模法共有的缺点就是激光器只能以单一高阶模式输出，在改变模式时都需要重新调节激光器，不能实现不同高阶模式之间的相互作用和转换，另外该方法对激光器工作类型有很大限制，如该法就不适用于光栅反馈半导体激光器等。
[0004]外腔选模法，是指当激光器以基模横模运转输出后，让基模光通过一高精细度的谐振腔共振输出，如驻波腔或环形腔等，然后通过调节入射光的传播方向或倾斜谐振腔腔镜的方法，从而激发高阶模式的共振输出，该方法是目前获得高阶横模最常用的方法，可以将一台激光器的光分成几束，分别进入几个谐振腔，从而获得多个不同的高阶横模，但该方法的缺点是只能获得阶数较小的高阶模式，阶数越高，则输出效率越低，如果需要阶数较高的高阶横模，则需要较强的注入功率，而且受谐振腔腔镜大小、腔长等参量的限制，通过该法有效产生更为复杂的高阶模式的种类非常有限。
【发明内容】
[0005]本发明为解决在外腔选模中，只能调节光的传播方向或倾斜腔镜来产生高阶横模的问题，提供一种利用原子-腔耦合产生高阶横模的方法及装置。
[0006]本发明所述的一种原子-腔耦合产生高阶横模的方法，是采用以下技术方案实现的:一种原子-腔耦合产生高阶横模的方法，在由内充碱金属原子介质的原子汽室和驻波腔耦合的系统中，当频率、偏振和强度相同的一对强的相干耦合场对射穿过原子汽室内的碱金属原子介质时，形成驻波耦合场；再以一束弱的探针场以基模高斯光束耦合进驻波腔中并共振输出，共振输出的场称为腔模场，输出模式是基模高斯光；在耦合场频率相对原子共振中心满足一定失谐时，处于驻波耦合场中的原子汽室内碱金属原子介质对弱的腔模场的折射率产生周期性的调制，从而可诱发不同高阶横模在腔内振荡，通过调节驻波腔的腔长，可选择所需要的高阶横模输出。
[0007]进一步的，在驻波腔腔长不变条件下，通过改变腔内原子汽室的温度或耦合场的频率失谐，可以改变腔内碱金属原子介质对腔模的折射率大小，从而实现高阶横模的模式改变。
[0008]本发明所述的一种原子-腔耦合产生高阶横模的装置是采用如下技术方案实现的:一种原子-腔耦合产生高阶横模的装置，包括高阶横模激光产生系统；所述高阶横模激光产生系统包括第一半导体激光器以及顺次位于第一半导体激光器出射光路上的第一光隔离器、第一半波片、第一偏振分光棱镜；第一偏振分光棱镜的透射光路上顺次设有第二半波片和第二偏振分光棱镜；第二偏振分光棱镜的透射光路上顺次设有凸透镜以及原子-腔耦合系统；所述原子-腔耦合系统包括由顺次位于凸透镜的透射光路上的第一平凹腔镜和第二平凹腔镜组成且配有腔长调节装置的近共心驻波腔；第一平凹腔镜和第二平凹腔镜之间顺次设有第三偏振分光棱镜、内充碱金属原子介质的原子汽室和第四偏振分光棱镜；第一偏振分光棱镜的反射光路上设有第一全反镜，第三偏振分光棱镜的反射光路上设有第二全反镜，第二全反镜同时位于第一全反镜的反射光路上；第四偏振分光棱镜的反射光路上设有第三全反镜；经过第一偏振分光棱镜反射的激光经过第一全反镜、第二全反镜以及第三偏振分光棱镜的反射后作为第一束親合场进入原子汽室；同时该第一束親合场穿过原子汽室后经第四偏振分光棱镜及第三全反镜反射并按原路返回后作为第二束耦合场入射至原子汽室且与第一束耦合场反向共线重合，在原子汽室内形成驻波耦合场；由第二偏振分光棱镜透射的激光作为探针场，以水平偏振通过凸透镜，匹配到原子-腔耦合系统中共振输出。
[0009]耦合场通过腔内放置的第三偏振分光棱镜单次穿过原子汽室，通过第四偏振分光棱镜导出后，又经过第三全反镜按原光路返回，形成驻波耦合场。
[0010]还包括高阶横模频率监视系统；所述高阶横模频率监视系统包括第二半导体激光器、顺次位于第二半导体激光器出射光路上的第二光隔离器、第三半波片、第五偏振分光棱镜；第五偏振分光棱镜的透射光路上顺次设有第四半波片和电磁诱导透明装置；第五偏振分光棱镜的反射光路上设有饱和吸收谱装置；电磁诱导透明装置同时位于第二偏振分光棱镜的反射光路上；饱和吸收谱装置的信号输出端连接有第一探测器；电磁诱导透明装置的信号输出端连接有第二探测器；第一探测器和第二探测器的信号输出端共同连接有第一示波器。
[0011]近共心驻波腔的出射光路上设有反射率1%反射镜，反射率1%反射镜的透射光路上设有第三探测器，反射率1%反射镜的反射光路上设有CCD摄像机，第三探测器的信号输出端连接有第二示波器。
[0012]原子汽室配有对其调节温度的加热带，加热带配有控制和显示原子汽室温度的控温仪；所述近共心驻波腔的腔长调节装置包括与第二平凹腔镜相连接的压电陶瓷，压电陶瓷连接有高压放大器；还包括与高压放大器相连接的信号发生器，信号发生器的一个信号输出端与高压放大器连接，信号发生器的另一个信号输出端与第二示波器相连接。
[0013]由加热带和控温仪控制并显示腔内原子汽室的温度；利用信号发生器产生的三角波扫描信号，经高压放大器放大后加载到压电陶瓷上来调节腔长，从而实现调节腔膜的频率。
[0014]由第一平凹镜和第二平凹镜组成的驻波腔为近共心腔；腔内放置的原子汽室两端端面镀有相应激光波长的减反膜，以减少激光在腔内的线性损耗；利用饱和吸收谱装置和第一探测器来监视参考光作用于碱金属原子的能级，用电磁诱导透明装置和第二探测器来监视第一半导体激光器的频率失谐，利用第三探测器来探测驻波腔的透射谱信号；第一探测器和第二探测器探测的信号，分别通过第一 BNC导线和第二 BNC导线输入到第一示波器中来显示图像并存储数据，第一示波器的触发信号由第二半导体激光器提供；第三探测器的探测信号和信号发生器分出的三角波扫描信号分别通过第三BNC导线和第四BNC导线输入到第二示波器中，显示腔透射谱信号并保存数据，第二示波器的触发信号由信号发生器提供。当腔透射谱频率锁定在选定的透射峰峰值上时，腔输出的光斑模式通过反射率为1%的反射镜将反射光打入CCD摄像机来观测。
[0015]本发明不但有效地解决了现有产生高阶横模方法中，输出高阶模式单一、阶数相对较小、输出效率低等问题，而且极易实现不同高阶模式之间的转换，无需调节腔镜，操作简单，输出模式稳定，适用于研究量子关联成像，激光高阶横模的小位移精密测量、制备基于碱