专利名称：基于四能级量子系统的主动激光频率标准的制作方法
技术领域：
本发明属于激光技术领域和时间频率标准技术领域，涉及四能级量子系统激光技术，特别涉及一种基于四能级量子系统的主动激光频率标准的产生装置和方法，可以输出线宽远比原子谱的自然线宽小的激光。
背景技术：
采用原子频率标准进行测量是所有科学测量方法中精度最高的一种，它有着十分广泛的科学研究和实际应用价值。利用原子频率标准的高准确度，可以测量原子、分子的基本参数，测量宇宙学和天文学的相关物理量，可以在更高精度测量的实验平台上发现和认知新的物理现象。在应用方面，原子频率标准钟可用在精密原子谱、授时、全球导航定位等领域。传统的激光频率标准，由于输出激光频率是通过鉴频或鉴相技术被动式地锁定在一种量子体系的量子跃迁线上，因此都属于被动式的。被动式的激光频率标准，用来鉴频的激光光源的频率线宽目前最好的在IHz左右，这限制了在光频率领域上实现更高分辨率的能力。主动式的激光频率标准，在原理上可以输出线宽远比原子谱的自然线宽小的激光，突破目前激光频率标准的一些限制(如对本振激光线宽的依赖)，并可实现激光频率标准的小型化。依据主动激光频率标准的机理，激光器输出的激光可以直接用做激光频率标准，提供高稳定度高准确度的光频频率标准，还可利用其远小于原子谱自然线宽的高准确谱进行超高精密激光光谱测量。目前主动激光频率标准实验方案大致可分为两类，一是囚禁的量子系统，二是束流量子系统。对于束流型的主动激光频率标准，由于剩余多普勒频移，限制了激光频率标准的准确度。基于囚禁的量子系统的主动激光频率标准，腔内泵浦可以提高输出激光功率，并可望消除多普勒效应；但是仍然存在一些问题，主要是囚禁光场的光频移和泵浦光场的光频移。对于囚禁光场的光频移，利用光晶格囚禁冷原子的方法，可通过特殊波长激光来消除；而泵浦光场的光频移，只可采用四能级量子系统来消除。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种基于四能级量子系统的主动激光频率标准的产生装置和方法，能够有效避免泵浦光场带来的光频移，输出的激光具有非常好的频率稳定性和准确性。本发明的基于四能级量子系统的主动激光频率标准的产生装置，其包括—法珀腔，其入射端的腔镜镀有泵浦激光增透膜和输出激光反射膜，其输出端的腔镜镀有泵浦激光全反膜和输出激光反射膜；一充有增益介质的封闭室，位于所述法珀腔中，所述增益介质为四能级量子系统的原子气体，其增益线宽小于激光谐振腔腔模线宽的二分之一；一激光器，用于产生泵浦激光，将所述原子气体从基态能级激发至第四能级。
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本发明的基于四能级量子系统的主动激光频率标准的产生方法，适用于上述装置，其步骤包括I)在一法珀腔内设一充有增益介质的封闭室，该增益介质为四能级量子系统的原子气体，其增益线宽小于激光谐振腔腔模线宽的二分之一；2)在所述法珀腔一端射入泵浦激光，将所述原子气体从基态能级激发至第四能级；3)所述第四能级上的原子通过自发辐射向低能级跃迁，在第三能级和第二能级实现原子布居数反转；4)所述第三能级上的原子自发辐射跃迁至所述第二能级，在所述法珀腔的反馈作用下产生受激辐射，并从所述法珀腔另一端输出激光。与通常的激光相比，本发明的基于四能级量子系统的主动激光频率标准其主要特点是I)激光增益介质的增益线宽远小于激光谐振腔的腔模线宽，即学术上所说的坏腔结构，可极大地降低腔模的频移效应，即降低了宏观腔长变化对输出频率的影响，仅保留腔模的弱反馈功能；2)激光增益介质的增益谱线是被建议用于激光频率标准的跃迁谱线，即增益线宽远小于腔模线宽，使得输出激光频率基本决定于原子跃迁，所以具有量子标准的特性；3)利用了四能级的量子系统，泵浦激光对应着四个能级中的能量最低和最高两个量子能级，受激发射的激光频率标准跃迁对应着能量居中的两个能级，避免了泵浦激光两个能级与激光频率标准跃迁两个能级的重叠，进而避免了泵浦激光引起的光频移；4)激光谐振腔的腔模线宽大于原子的激光频率标准受激跃迁能级的自然线宽与渡越增宽，使得输出超窄线宽激光的中心频率工作在原子跃迁频率决定的数值上，极大地降低了谐振腔本身长度变化带来的噪声。以上特点决定了四能级量子系统主动式激光频率标准所输出的激光具有非常好的频率稳定性和准确性，其中心频率完全决定于具有量子特性的原子而不是具有宏观特性的谐振腔，可直接用作量子时间频率标准。同时，远小于原子谱自然线宽的高准确谱，可将高精密激光光谱向更高精度推进，对原子结构理论和量子电动力学进行更高精度的检验。
图I为本发明实施例的四能级量子系统的铷原子能级结构示意图。图2为本发明实施例中基于四能级量子系统的激光频率标准产生装置的结构示意图。图3为本发明实施例的铷原子主动激光频率标准的能级布居数反转示意图。其中1-泵浦激光器电源，2-泵浦激光器，3-泵浦激光，4-法珀腔，5-腔镜，6_封闭室，7-铷原子气体,8-腔镜,9-输出激光。
具体实施例方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面通过实施例并结合附图，对本发明的技术方案进行详细地描述。
本实施例选用的一种典型四能级量子系统为铷原子，其能级结构图如图I所示， 从低能级到高能级依次为第一、第二、第三和第四能级。基于铷原子四能级量子系统产生主动激光的基本原理简述如下I)采用铷原子气体作为增益介质，首先用一束对应着铷原子能级5S到6P跃迁波长的421nm激光作为泵浦光去泵浦铷原子；2)在泵浦光作用下，处于基态5S1/2 (即四能级量子系统的第一个能级)的原子跃迁到第四个能级6P1/2态上；3)处于第四能级的原子，通过自发辐射跃迁到低能级，包括第一能级5S1/2态、第三能级6S1/2态和第五能级4D3/2态上；4)经过一定时间后，第三能级6S1/2态上的原子数目超过第二能级5P3/2态上的原子数目，实现能级6S1/2态和5P3/2态之间的原子布居数反转；5)第三能级6S1/2态上的原子通过自发辐射跃迁到第二能级5P3/2态，发射 1366. 9nm荧光，在法珀腔作用之下产生受激辐射，当受激辐射超过阈值达到实现激光的自激振荡的输出条件后，在腔内形成稳定的达到阈值之上的激光振荡，最后输出对应能级 6S1/2态和5P1/2态之间跃迁的1366. 9nm激光，作为激光频率标准，即主动激光频率标准。本实施例的基于铷原子四能级量子系统的激光频率标准的产生装置，其组成结构如图2所示。现结合激光产生过程对其中各部件说明如下I)驱动电源I为激光器2供电，激光器2提供泵浦用的421nm激光3;2) 42Inm激光3正入射到法珀腔4的腔镜5上，腔镜5镀421nm激光的增透膜和 1367nm激光的反射膜。增透膜的透射率可到99% ;反射膜的反射率根据细度要求、自由光谱范围和腔模线宽确定。3)421nm激光3通过腔镜之后入射到一封闭室(玻璃泡或真空室)6中，与其中的增益介质即铷原子气体7相互作用，将处于第一能级5S1/2态上原子泵浦到第四能级6P1/2态上。处于第四能级6P1/2态的原子自发辐射而向下跃迁，经过一定时间后形成第三能级6S1/2 态和第二能级5P3/2态之间的粒子数反转，如图3所示。图3中横坐标为421nm激光与铷原子气体7的相互作用时间，纵坐标为粒子数在相应能级上的布居概率，P Il-P 66分别是第一能级到第六能级的相应能级上的布居概率。4)第三能级6S1/2态上的原子自发辐射跃迁到第二能级5P3/2态上，自发辐射 1366. 9nm荧光，法珀腔4的腔镜8镀421nm激光全反膜和1367nm激光的反射膜，在法珀腔作用下形成激光自激振荡，达到阈值之上后输出1367nm激光9，作为激光频率标准。上述实施例中，采用铷原子作为四能级量子系统，但本发明的增益介质不限于此， 具有相类同能级结构的其它碱金属原子，如锂、钠、钾、铯，也可以实现本发明所述的四能级量子系统的主动式激光频率标准。所述原子气体既可为纯原子气体，也可为混合原子气体。本发明的基于四能级量子系统的主动激光频率标准的是利用四能级量子系统，在泵浦激光和坏腔作用之下，形成窄线宽激光输出。本发明在此情形下与已有的所有其它激光器相区别。最后应说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制， 尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
权利要求
1.一种基于四能级量子系统的主动激光频率标准的产生装置，其包括一法珀腔，其入射端的腔镜镀有泵浦激光增透膜和输出激光反射膜，其输出端的腔镜镀有泵浦激光全反膜和输出激光反射膜；一充有增益介质的封闭室，位于所述法珀腔中，所述增益介质为四能级量子系统的原子气体，其增益线宽小于激光谐振腔腔模线宽的二分之一；一激光器，用于产生泵浦激光，将所述原子气体从基态能级激发至第四能级。
2.如权利要求I所述的装置，其特征在于，所述封闭室为透明玻璃泡。
3.如权利要求I所述的装置，其特征在于，所述原子为碱金属原子，所述原子气体为纯原子气体或混合原子气体。
4.一种基于四能级量子系统的主动激光频率标准的产生方法，其步骤包括1)在一法珀腔内设一充有增益介质的封闭室，该增益介质为四能级量子系统的原子气体，其增益线宽小于激光谐振腔腔模线宽的二分之一；2)在所述法珀腔一端射入泵浦激光，将所述原子气体从基态能级激发至第四能级；3)所述第四能级上的原子通过自发辐射向低能级跃迁，在第三能级和第二能级实现原子布居数反转；4)所述第三能级上的原子自发辐射跃迁至所述第二能级，在所述法珀腔的反馈作用下产生受激辐射，并从所述法珀腔另一端输出激光。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述封闭室为透明玻璃泡。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述原子为碱金属原子，所述原子气体为纯原子气体或混合原子气体。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述原子气体为铷原子气体，其基态能级为 5S1/2态，第二能级为5P3/2态，第三能级为6S1/2态，第四能级为6P1/2态。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述泵浦激光的波长为421nm，输出激光的波长为1367nm。
全文摘要
本发明提供一种基于四能级量子系统的主动激光频率标准的产生装置和方法。首先在一法珀腔内设一充有增益介质的气室，该增益介质为四能级量子系统的原子气体。然后在所述法珀腔一端射入泵浦激光，将所述原子气体从基态能级激发至第四能级。第四能级上的原子通过自发辐射向低能级跃迁，在第三能级和第二能级实现原子布居数反转。第三能级上的原子自发辐射或受激辐射光子跃迁至所述第二能级，在所述法珀腔的作用下产生受激辐射，并从所述法珀腔另一端输出激光。本发明的主动激光频率标准具有非常好的频率稳定性和准确性。
文档编号H01S3/00GK102593694SQ20121003432
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月15日 优先权日2012年2月15日
发明者庄伟 , 张同刚, 陈景标 申请人:北京大学