一种频率对腔长热噪声免疫的魔术腔长激光器及实现方法

1.本发明属于激光器、原子钟与原子频率标准技术领域，具体涉及一种频率对腔长热噪声免疫的魔术腔长激光器及实现方法。


背景技术：

2.1960年，梅曼实现了世界上第一台红宝石固态激光器，自此，激光以其良好的相干性、方向性和单色性优势，被广泛应用于包括光子技术、激光医疗与光子生物学、激光光谱分析和激光雷达技术、工业激光加工与计量、光纤传感等在内的各个领域，不断推动社会经济的发展。尤其是在卫星导航定位、精密科学测量、物理理论验证、国际单位制定义以及大地测量学等精密计量领域，对具有高度相干性的窄线宽激光源需求迫切。
3.在精密测量领域最常见的实现窄线宽激光源的技术为pound-drever-hall(pdh)稳频技术，通过将一个线宽性能较差的激光器的频率稳定在一个高精细度的fabry-p
é
rot(f-p)光学超稳腔上，使激光的频率被精确锁定在超稳腔的共振峰内，从而实现一个高度相干、稳定性极好的窄线宽光源。在该方案中，稳频后激光频率的变化完全跟随超稳腔的腔长变化，满足关系，其中δν表示激光频率的变化即线宽，ν为激光频率，δl为超稳腔的腔长变化，l为超稳腔腔长，可见为了减小激光频率的变化范围，最重要的是减小超稳腔腔长的变化。因此，通常选用具有超低热膨胀系数的单晶硅或微晶玻璃作为腔体材料，以减少环境热噪声对腔长的影响；同时，为了进一步减小超稳腔的频率漂移，还需要将超稳腔放置在超低温环境下，通常温度只有几开尔文，这不但不能从本质上解决腔长热噪声问题，还会增加系统的复杂度，造价昂贵；此外，为实现高度相干的激光光源，对腔镜的镀膜要求极高，以达到106乃至更高量级的腔精细度，这大大增加了加工难度，国内只有极少数研究所可以达到，绝大部分该方面的应用依赖进口。
4.综上，亟需寻找新方法新理论打破上述困境。不用借助超高精细度的f-p超稳腔，也能实现输出频率极其稳定的激光源，是本发明关注的核心问题，这将为激光在科学发展与技术应用两方面提供巨大的机遇和创新空间。


技术实现要素：

5.为了克服传统稳频技术中存在的不可避免的超稳腔腔长热噪声问题，本发明提出了一种新型的“魔术腔长”激光器来实现超高频率稳定度激光光源的方案。该激光器的命名借鉴了“魔术波长”激光的命名方式，参考文献[takamoto,m.,hong,fl.,higashi,r.et al.an optical lattice clock.nature 435,321
–
324(2005).]，这篇文献中“魔术波长”的含义是：在原子的能级体系中，可以找到一些特殊的光频率，这种频率的光对我们所感兴趣的一对待测量能级引起的能级位移相等，或者其频率对联系基态和一些上能级的跃迁是红失谐的，而对另一些上能级的跃迁是负失谐，则它们引起的基态能级的位移正好互相抵消，从而使该能级的光位移为零，用这种魔术波长光避免能级光位移对光学频率标准信号性能
的影响。本发明中，我们将特殊腔长的激光器称为“魔术腔长”激光器，是因为，在该特殊腔长条件下，激光的输出频率受腔长变化的影响非常小，理想情况下等于零，该激光对于腔长热噪声有天然的免疫作用。
[0006]
魔术腔长激光器与传统意义上的激光具有明显的差别，且激光原理领域尚未发现该激光的定义与说明，因此本发明首次给出魔术腔长激光的定义与实现条件：(1)该魔术腔长激光器由光学谐振腔和增益介质组成，在合适的泵浦下即可实现激射，原子作为增益介质，可以是热原子也可以是冷原子，激光的输出频率以原子跃迁频率作为标准频率，在此标准上增加或减小一个固定值；(2)泵浦源的频率和选用的原子种类有关，在合适的泵浦功率下，可满足所选原子的一个目标跃迁上、下能级粒子数反转条件，从而实现目标跃迁能级对应目标频率激光振荡；(3)光学谐振腔由两个光学腔镜组成以形成稳定腔，其腔模频率与传统的激光器存在本质差别，传统激光器的腔模频率必须调谐为共振区附近来满足共振增强的条件，而本发明中的魔术腔长激光器的腔模频率调谐在“魔术腔长”附近，魔术腔长对应的频率点可以通过测量激光输出频率随腔模频率的变化曲线得到，在魔术腔长附近，激光输出频率几乎不随腔模频率的变化而变化，对腔长热噪声的免疫性极高。这里给出魔术腔长的定义：每一个魔术腔长l
magic
对应一个魔术腔相移值δφ
magic
，r为谐振腔腔镜对目标频率激光的反射率；其中，腔长变化λ/2，腔相移变化2π，λ为激光波长。即满足δφ为腔相移变化，δl为相应的腔长变化，当δφ＝δφ
magic
时，δl＝δl
magic
，此时腔长对应魔术腔长条件：n为正整数，即可实现输出频率对腔长变化免疫的魔术腔长激光器。按照上述定义，魔术腔长激光的工作原理如图1所示。其中1所指示线条为激光频率随腔模频率的变化曲线，2所指示线条为激光频率随腔模频率的变化率曲线，3为魔术腔长区域。从图1可以看出，本发明定义的魔术腔长激光，国内外所有文献从来没有提过。
[0007]
该方案具有三点优势：(1)不需要额外的外部激光器作为稳频前的初始光源，原子直接作为增益介质置于光学谐振腔内，在合适的光泵浦下，只要满足激光速率方程中的增益大于损耗条件，即可实现激光振荡；(2)对光学谐振腔的镀膜精度和镀膜反射率要求极低，在本发明实施例下，只要能满足激光振荡条件，低腔镜反射率反而更容易获取对腔长变化免疫的激光源；(3)光学谐振腔腔长不需要调谐到精确共振的地方，只需要将腔长调谐到本发明提出的魔术腔长的区域即可，在该区域外界噪声引起的腔长变化所导致的激光频率波动及其小，即实现了一种频率对腔长热噪声免疫的魔术腔长激光器。本发明解决了国际上超稳光学谐振腔对超低热膨胀系数材料、极低温工作条件和超高反射率光学腔镜的高要求难题，为超稳激光的发展注入新元素。
[0008]
本发明的一个目的在于提出了一种频率对腔长热噪声免疫的魔术腔长激光器，其包括：泵浦激光源、压电陶瓷片、谐振腔腔镜-平面镜、原子气室、温控模块、磁屏蔽模块、谐振腔腔镜-平凹镜、双色镜、压电陶瓷驱动模块、参考激光、半波片、偏振分光棱镜、光电探测器、频谱分析仪。
[0009]
其中，泵浦激光源的波长选择与原子气室中原子的种类及其跃迁能级相关，并且
泵浦激光源的频率需要通过稳频模块稳定输出，对原子气室内所充入的作为增益介质的原子进行泵浦，使目标跃迁能级粒子数反转后，输出目标频率激光；
[0010]
压电陶瓷的形变量通过压电陶瓷驱动模块调节，其形变量必须大于或等于魔术腔长激光波长的一半，这样才能满足腔相移的变化范围大于或等于2π；
[0011]
两个谐振腔腔镜内嵌于热膨胀系数较小的谐振腔里，谐振腔的材料可以是殷刚、单晶硅、微晶玻璃等，从而减小外界温度变化引入的谐振腔腔长变化；
[0012]
谐振腔腔镜采用两点镀膜，两个谐振腔腔镜均对泵浦激光源的输出波长高透，而对魔术腔长激光波长的镀膜由激光振荡条件确定，魔术腔长激光即可以工作在好腔区域(增益线宽大于腔模线宽)，也可以工作在坏腔区域(增益线宽小于腔模线宽)；
[0013]
原子气室由石英玻璃制成，两个窗口采用布儒斯特窗结构，用于避免由原子气室两端面引起的光反射。原子气室里面可以填充碱金属原子或者碱金属原子加缓冲气体，该碱金属原子作为魔术腔长激光的增益介质，碱金属原子可以是铷、铯、钾、钠中的一种，缓冲气体可以是惰性气体，如氩、氪或氙；
[0014]
原子气室外接温控模块和磁屏蔽模块，分别用于减小碰撞频移与增宽和外界磁场变化带来的塞曼频移与增宽。其中温控模块的控温精度优于0.01k，磁屏蔽模块由多层磁屏蔽材料，如坡莫合金制成，磁屏蔽效果优于105倍；
[0015]
双色镜采用两点镀膜，对泵浦激光源的输出波长高透，对魔术腔长激光的波长高反；
[0016]
参考激光的波长与魔术腔长激光的波长相近，与魔术腔长激光拍频，拍频信号可以用商用的光电探测器探测到即可，用于分析魔术腔长激光的腔牵引性能；
[0017]
半波片与偏振分光棱镜结合，通过调节半波片与偏振分光棱镜之间的角度，从而调节从偏振分光棱镜透射到光电探测器的光强；
[0018]
光电探测器将参考激光与魔术腔长激光的拍频光信号转换成电信号，输入到频谱分析仪，用来观测拍频信号中心频率的变化。
[0019]
本发明的另一个目的在于提出一种频率对腔长热噪声免疫的魔术腔长激光器的实现方法，包括以下步骤：
[0020]
1)泵浦激光源的频率通过原子谱稳频技术，如饱和吸收谱稳频、调制转移谱稳频输出，用于对原子气室内作为增益介质的原子进行泵浦，使目标跃迁频率能级粒子数反转。
[0021]
2)原子气室中填充碱金属原子或者碱金属原子加缓冲气体，作为实现魔术腔长激光的增益介质，然后将原子气室置于谐振腔内，即谐振腔腔镜-平面镜和谐振腔腔镜-平凹镜的中间，原子气室外部连接温控模块，用于稳定原子气室内部的温度，从而减小碰撞频移与展宽；然后在温控模块外面连接磁屏蔽模块，隔绝外界磁场，从而减小塞曼频移与展宽。
[0022]
3)将步骤1)实现的稳频后的泵浦激光源作为泵浦光泵浦步骤2)中原子气室中的碱金属原子，并通过谐振腔腔镜-平面镜和谐振腔腔镜-平凹镜形成的谐振腔的光反馈，在碱金属原子相应的激光跃迁能级之间实现多原子相干受激辐射，输出魔术腔长激光，并通过温控模块为碱金属原子加热，从而增加有效原子数目，提高增益，并通过观测魔术腔长激光的功率寻找最佳的工作温度点。
[0023]
4)通过压电陶瓷驱动模块给控制谐振腔腔长的压电陶瓷片施加调制信号，从而调
节谐振腔腔长，改变谐振腔腔模频率。通过计算魔术腔相移值根据腔相移与腔长的关系：腔相移变化2π，腔长变化λ/2，λ为目标频率激光的波长。由此可以计算对应的魔术腔长，然后通过压电陶瓷驱动模块将谐振腔腔长设置为对应的魔术腔长值，从而实现魔术腔长激光。
[0024]
5)经过谐振腔输出的激光通过双色镜后，魔术腔长激光被全反射，泵浦激光全部透射，经双色镜反射的魔术腔长激光入射到偏振分光棱镜并反射。
[0025]
6)参考激光经半波片与偏振分光棱镜组合调节参考激光的功率，然后与步骤5)中的魔术腔长激光经偏振分光棱镜合束。
[0026]
7)步骤6)中合束后的激光获得拍频信号，然后输入光电探测器，将光信号转换成电信号，输入到频谱分析仪，从而观测魔术腔长激光与参考激光的拍频信号，并在不同的腔模频率下记录谐振腔输出激光的频率变化。
[0027]
8)由步骤7)获得输出激光频率随腔模频率的变化曲线，对该曲线进行数据处理，通过求导的方式可以获得输出激光频率随腔模频率的变化率，即激光对腔牵引效应的敏感度，敏感度为零的腔模频率点即为实验测量得到的魔术腔长点，在该点附近，激光频率几乎不随腔长的变化而变化，即魔术腔长激光对于腔长热噪声有天然的免疫作用。
[0028]
其中，在步骤2)中原子气室由石英玻璃制成，入射窗口和出射窗口采用布儒斯特窗结构，用于避免由原子气室两端面引起的光反射。原子气室里面可以填充碱金属原子或者碱金属原子加缓冲气体，该碱金属原子作为魔术腔长激光的增益介质，碱金属原子可以是铷、铯、钾、钠中的一种，缓冲气体可以是惰性气体，如氩、氪或氙。
[0029]
在步骤2)中温控模块的控温精度优于0.01k，磁屏蔽模块由多层磁屏蔽材料，如坡莫合金制成，磁屏蔽效果优于105倍。
[0030]
在步骤3)中谐振腔腔镜-平面镜和谐振腔腔镜-平凹镜组成谐振腔，每个谐振腔腔镜均采用两点镀膜，即对泵浦激光波长全透，而对魔术波长激光具有一定的反射率，该反射率根据激光振荡条件确定，只要增益大于光学谐振腔内所有损耗之和，即可满足受激辐射的激射条件。其中，激光即可以工作在好腔区域也可以工作在坏腔区域，这都不影响魔术腔长激光的产生。
[0031]
本发明的新颖性和优点：
[0032]
首先，本发明在国际上首次给出并定义了一种新型的激光：魔术腔长激光。魔术腔长激光器与传统意义上的激光具有明显的差别，且激光原理领域尚未发现该激光的定义与说明，本发明定义的魔术腔长激光未见于任何文献报道。此外，本发明首次给出魔术腔长激光的定义与实现条件。
[0033]
本发明具有三点优势：(1)不需要额外的外部激光器作为稳频前的初始光源，原子直接作为增益介质置于光学谐振腔内，在合适的光泵浦下，只要满足激光速率方程中的增益大于损耗条件，即可实现激光振荡；(2)对光学谐振腔的镀膜精度和镀膜反射率要求极低，在本发明实施例下，只要能满足激光振荡条件，低腔镜反射率反而更容易获取对腔长变化免疫的激光源；(3)光学谐振腔腔长不需要调谐到精确共振的地方，只需要将腔长调谐到本发明提出的魔术腔长的区域即可，在该区域外界噪声引起的腔长变化所导致的激光频率波动及其小，即实现了一种频率对腔长热噪声免疫的魔术腔长激光器。颠覆了目前国际上
采用pdh稳频技术来获取高度相干光源的方法，该技术必须将激光频率准确锁定到高精细度光学谐振腔的共振频率处才能实现稳频；魔术腔长激光对谐振腔腔长以及外界环境变化有很强的免疫特性，可解决国际上超稳光学谐振腔对超低热膨胀系数材料、极低温工作条件和超高反射率光学腔镜的高要求难题，为超稳激光的发展注入新元素。
附图说明
[0034]
图1为魔术腔长激光的工作原理图。
[0035]
图2为本发明的一种频率对腔长热噪声免疫的魔术腔长激光器的实施例一的示意图。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
[0037]
实施例一
[0038]
如图2所示，本实施例的一种频率对腔长热噪声免疫的魔术腔长激光器包括：泵浦激光源1、压电陶瓷片2、谐振腔腔镜-平面镜3、原子气室4、温控模块5、磁屏蔽模块6、谐振腔腔镜-平凹镜7、双色镜8、压电陶瓷驱动模块9、参考激光10、半波片11、偏振分光棱镜12、光电探测器13、频谱分析仪14。其中，本实施例泵浦激光源1的波长可以为459nm、455nm、421nm、420nm中的任意一种，这与原子气室4中原子的种类及其跃迁能级相关，本实施例中的原子选择为碱金属铯原子、或者铷原子；泵浦激光源1的频率通过调制转移谱稳频模块稳定输出，对原子气室内的铯或铷原子进行泵浦，使目标跃迁频率能级粒子数反转，该跃迁频率可用于实现魔术腔长激光器所需输出的目标频率。
[0039]
压电陶瓷片2的形变量通过压电陶瓷驱动模块9调节，其形变量必须大于或等于魔术腔长激光波长的一半，满足腔相移的变化范围大于等于2π的要求。魔术腔长激光的波长与原子种类相关，可以是1323nm、1367nm、1359nm、1470nm中的一种。
[0040]
谐振腔腔镜-平面镜3和谐振腔腔镜-平凹镜7内嵌于热膨胀系数较小的谐振腔里，谐振腔的材料可以是殷刚、单晶硅、微晶玻璃等，从而减小外界温度变化引入的谐振腔腔长变化。
[0041]
谐振腔腔镜-平面镜3和谐振腔腔镜-平凹镜7均采用两点镀膜，对泵浦激光源1的输出波长透过率均大于99.99％，而对魔术腔长激光波长的镀膜由激光振荡条件确定，魔术腔长激光即可以工作在好腔区域(增益线宽大于腔模线宽)，也可以工作在坏腔区域(增益线宽小于腔模线宽)，本实施例中谐振腔腔镜-平面镜3和谐振腔腔镜-平凹镜7对魔术腔长激光波长的反射率可以为20％-50％之间的任意一个值，使其工作在坏腔区域。
[0042]
原子气室4由石英玻璃制成，两个窗口采用布儒斯特窗结构，用于避免由原子气室两端面引起的光反射。本实施例中原子气室4里面可以填充碱金属铯原子或者自然铷原子。
[0043]
原子气室4外接温控模块5和磁屏蔽模块6，分别用于减小碰撞频移与增宽和外界磁场变化带来的塞曼频移与增宽。其中温控模块5的控温精度优于0.01k，磁屏蔽模块6由多层磁屏蔽材料，如坡莫合金制成，磁屏蔽效果优于105倍。
[0044]
双色镜8采用两点镀膜，对泵浦激光源的输出波长透过率大于99％，对魔术腔长激光的波长反射率大于99％。
[0045]
参考激光10的波长与魔术腔长激光的波长相近，可以是1323nm、1367nm、1359nm、1470nm中的一种，用来与魔术腔长激光拍频，用于分析魔术腔长激光的腔牵引性能。
[0046]
半波片11与偏振分光棱镜12结合，通过调节半波片11与偏振分光棱镜12之间的角度，从而调节从偏振分光棱镜12透射到光电探测器13的光强，使拍频信号的幅值最大。
[0047]
光电探测器13将参考激光与魔术腔长激光的拍频光信号转换成电信号，输入到频谱分析仪14，用来观测拍频信号中心频率的变化。
[0048]
本实施例的一种频率对腔长热噪声免疫的魔术腔长激光器的实现方法，包括以下步骤：
[0049]
1)泵浦激光源1的频率通过调制转移谱稳频输出，用于对原子气室内的铯或铷原子进行泵浦，使目标跃迁频率能级粒子数反转，泵浦激光源1的波长可以是459nm、455nm、421nm、420nm中的任意一种。
[0050]
2)原子气室4中填充碱金属铯原子或铷原子，作为实现魔术腔长激光的增益介质，然后将原子气室4至于谐振腔内，即谐振腔腔镜-平面镜3和谐振腔腔镜-平凹镜7的中间，原子气室4外部连接温控模块5，用于稳定原子气室内部的温度，从而减小碰撞频移与展宽；然后在温控模块5外面连接磁屏蔽模块6，隔绝外界磁场，从而减小塞曼频移与展宽。
[0051]
3)将步骤1)实现的稳频后的泵浦激光源1作为泵浦光泵浦步骤2)中原子气室4中的原子，并通过谐振腔腔镜-平面镜3和谐振腔腔镜-平凹镜7形成的谐振腔的光反馈，在碱金属原子相应的激光跃迁能级之间实现多原子相干受激辐射，输出魔术腔长激光，并通过温控模块5为碱金属原子加热，从而增加有效原子数目，提高增益，并通过观测魔术腔长激光的功率寻找最佳的工作温度点。
[0052]
4)通过压电陶瓷驱动模块9给控制谐振腔腔长的压电陶瓷片2施加调制信号，从而调节谐振腔腔长，改变谐振腔腔模频率。通过计算魔术腔相移值根据腔相移与腔长的关系：腔相移变化2π，腔长变化λ/2，λ为激光波长。由此可以计算对应的魔术腔长，然后通过压电陶瓷驱动模块9将谐振腔腔长设置为对应的魔术腔长值，从而实现魔术腔长激光。
[0053]
5)经过谐振腔输出的激光通过双色镜8后，魔术腔长激光被全反射，泵浦激光全部透射，经双色镜8反射的魔术腔长激光入射到偏振分光棱镜12并反射。
[0054]
6)参考激光10经半波片11与偏振分光棱镜12组合调节参考激光的功率，然后与步骤5)中的魔术腔长激光经偏振分光棱镜12合束。
[0055]
7)步骤6)中合束后的激光获得拍频信号，然后输入光电探测器13，将光信号转换成电信号，输入到频谱分析仪14，从而观测魔术腔长激光与参考激光的拍频信号，并在不同的腔模频率下记录谐振腔输出激光的频率变化。
[0056]
8)由步骤7)获得输出激光频率随腔模频率的变化曲线，对该曲线进行数据处理，通过求导的方式可以获得输出激光频率随腔模频率的变化率，即激光对腔牵引效应的敏感度，敏感度为零的腔模频率点即为实验测量得到的魔术腔长点，在该点附近，激光频率几乎不随腔长的变化而变化，即魔术腔长激光对于腔长热噪声有天然的免疫作用。
[0057]
其中，在步骤2)中原子气室4由石英玻璃制成，两个窗口采用布儒斯特窗结构，用于避免由原子气室两端面引起的光反射。原子气室里面可以填充碱金属原子铯或者铷原
子，作为魔术腔长激光的增益介质。
[0058]
在步骤2)中温控模块5的控温精度优于0.01k，磁屏蔽模块6由多层坡莫合金磁屏蔽材料制成，磁屏蔽效果优于105倍。
[0059]
在步骤3)中谐振腔腔镜-平面镜3和谐振腔腔镜-平凹镜7组成谐振腔，每个谐振腔腔镜均采用两点镀膜，即对泵浦激光波长全透，而对魔术波长激光具有一定的反射率，该反射率根据激光振荡条件确定，只要增益大于光学谐振腔内所有损耗之和，即可满足受激辐射的激射条件。其中，激光即可以工作在好腔区域也可以工作在坏腔区域，这都不影响魔术腔长激光的产生。
[0060]
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。