專利名稱：產(chǎn)生直接用作光頻段頻率標(biāo)準(zhǔn)激光的方法及其設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光頻段頻率標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種產(chǎn)生直接用作光頻段頻率標(biāo)準(zhǔn)激光的方法及其設(shè)備。
背景技術(shù)：
迄今為止所有的高準(zhǔn)確度與高穩(wěn)定度的光頻段頻率標(biāo)準(zhǔn)概無(wú)例外地都屬于被動(dòng)式的，即輸出給用戶的激光，其頻率是通過鑒頻或鑒相技術(shù)被動(dòng)式地被鎖定在一種原子的量子躍遷線上。僅管已知有許多線寬非常窄的量子躍遷線，但是用來鑒頻的激光光源的頻率線寬目前最好的是在一赫茲左右，這就限制了在頻率域上實(shí)現(xiàn)更精密分辨率的可能。此外，這種激光光源最大的缺點(diǎn)是，它是以光頻諧振腔作為參考，所以，如地面震動(dòng)或空氣聲波噪聲等外部的各種影響光頻諧振腔腔長(zhǎng)的噪聲，就決定了可實(shí)現(xiàn)的一赫茲左右線寬。
在具體的結(jié)構(gòu)構(gòu)造上，目前所有的光頻段頻率標(biāo)準(zhǔn)都是有兩部分組成。一是提供量子吸收線的原子，離子或分子；二是作為本級(jí)振蕩器的腔穩(wěn)激光器。而腔穩(wěn)激光器的缺點(diǎn)是其輸出頻率緊隨腔長(zhǎng)的變化而波動(dòng)和漂移。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服現(xiàn)有光頻段頻率標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的不足，提供一種產(chǎn)生直接用作光頻段頻率標(biāo)準(zhǔn)激光的方法及其設(shè)備。
本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容一種產(chǎn)生直接用作光頻段頻率標(biāo)準(zhǔn)激光的方法，包括由一個(gè)準(zhǔn)直的原子束流作為激光增益介質(zhì)，將激光增益介質(zhì)置于真空內(nèi)，激光增益介質(zhì)粒子在進(jìn)入激光諧振腔前由一個(gè)單獨(dú)受控制的激光器提供泵浦激光照射而產(chǎn)生增益介質(zhì)粒子能級(jí)間布居數(shù)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)激光諧振腔縱模的頻率模線寬Γcavity大于所用激光增益介質(zhì)的增益頻率線寬Γgain。
對(duì)于束流形式的激光增益束流介質(zhì)，通過調(diào)節(jié)粒子束流強(qiáng)度而調(diào)節(jié)激光的泵浦率r，從而來調(diào)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，泵浦率r的取值在1.5到3附近最優(yōu)。
原子束流是不同種類的原子，分子或離子。
真空腔室內(nèi)的真空度大于10-6乇。
一種直接用作光頻段頻率標(biāo)準(zhǔn)的激光器，包括一真空腔體，真空腔體內(nèi)設(shè)有原子爐、泵浦激光器、由兩個(gè)腔鏡組成的光頻諧振腔以及一控制系統(tǒng)，原子束從原子爐噴出，準(zhǔn)直后，進(jìn)入泵浦區(qū)與泵浦光作用，并將在光頻諧振腔中以受激輻射的形式釋放出來，從而輸出可以直接用作光頻段頻率標(biāo)準(zhǔn)的激光。
光頻諧振腔的兩個(gè)腔鏡通過低熱漲系數(shù)的玻璃或陶瓷加工的腔隔離物固定在真空腔體上。
整個(gè)激光諧振腔通過金屬絲懸掛于真空腔體內(nèi)。
真空腔體內(nèi)設(shè)有小孔光攔，用于準(zhǔn)直原子束。
真空腔體設(shè)有若干個(gè)光窗，用于激光的輸入和輸出。
本發(fā)明的技術(shù)效果本發(fā)明由于激光諧振腔的腔模線寬大于介質(zhì)原子的增益線寬，且用作激光增益介質(zhì)的原子，分子，或離子有比一般傳統(tǒng)激光小的增益線寬，并且此增益介質(zhì)的激光譜線受外界因素的譜線加寬和移動(dòng)影響較小，因此，本發(fā)明與目前所有的光頻段頻率標(biāo)準(zhǔn)相比，主要有以下三個(gè)特有的優(yōu)點(diǎn)一、將目前所有的光頻段頻率標(biāo)準(zhǔn)的兩個(gè)物理學(xué)上完全不同的組成部分，量子吸收粒子與本級(jí)振蕩器二者融合在一個(gè)物理部件上直接實(shí)現(xiàn)光頻量子頻率標(biāo)準(zhǔn)。
二、在輸出激光的線寬上窄于目前最好的激光器。
三、激光腔的腔長(zhǎng)變化不會(huì)直接影響輸出激光頻率，而被減少到很小的波動(dòng)范圍。。


下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明做出詳細(xì)描述。
圖1為直接用作光頻段頻率標(biāo)準(zhǔn)的激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為泵浦參數(shù)和真空腔內(nèi)穩(wěn)態(tài)平均光子數(shù)關(guān)系示意圖。
圖3為泵浦參數(shù)和輸出激光線寬關(guān)系示意圖。
1-離子泵；2-真空腔體；3-原子爐；4-準(zhǔn)直縫；5-泵浦光窗；6-泵浦激光；7-激光腔鏡一高反射鏡；8-激光腔鏡一低反射鏡；9-原子束；10-光窗；11-可以直接作為光頻頻率標(biāo)準(zhǔn)的輸出激光；12-備用光窗；13-控制電路；14-壓電陶瓷。
具體實(shí)施例方式
在滿足了一般激光器所必需的構(gòu)建激光諧振腔并實(shí)現(xiàn)激光增益介質(zhì)的粒子能級(jí)間布居數(shù)反轉(zhuǎn)這兩個(gè)最基本條件的基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明具體的技術(shù)指標(biāo)Γcavity≥5Γgain，實(shí)現(xiàn)的方法一是調(diào)節(jié)增益線寬Γgain，一是調(diào)節(jié)腔模線寬Γcavity。
激光諧振腔的縱模線寬Γcavity調(diào)節(jié)的具體技術(shù)方法和技術(shù)效果詳細(xì)描述如下一是要通過選擇合適反射系數(shù)的腔鏡來構(gòu)建激光諧振腔就可以在技術(shù)上調(diào)節(jié)激光諧振腔的縱模線寬Γcavity大小，從而滿足輸出激光性能求。第二也要通過選擇合適激光諧振腔長(zhǎng)度來調(diào)節(jié)激光諧振腔的縱模線寬Γcavity大小。
與調(diào)節(jié)激光增益介質(zhì)的增益頻率線寬Γgain相對(duì)應(yīng)的實(shí)施技術(shù)包括通過減小增益介質(zhì)粒子的運(yùn)動(dòng)速度和增大激光諧振腔腔模尺寸來減小渡越時(shí)間引起的譜線加寬，通過減小增益介質(zhì)粒子的運(yùn)動(dòng)速度來減小多普勒效應(yīng)和相對(duì)論效應(yīng)引起的譜線加寬，對(duì)于束流形式的激光增益束流介質(zhì)通過機(jī)械狹縫或小光攔以及利用激光冷卻技術(shù)減小束流介質(zhì)的橫向速度分布來減小減小多普勒效應(yīng)引起的譜線加寬，通過調(diào)節(jié)激光諧振腔腔模尺寸來減小波矢方向分布引起的譜線加寬，通過利用真空腔體內(nèi)產(chǎn)生的激光增益束流介質(zhì)的無(wú)器壁碰撞特性和近無(wú)碰撞特性來減小各種碰撞引起的譜線加寬，通過調(diào)節(jié)激光泵浦率調(diào)節(jié)輸出激光功率來減小大功率譜線飽和效應(yīng)引起的譜線加寬，通過調(diào)節(jié)外加電磁場(chǎng)的均勻性來減小環(huán)境電磁場(chǎng)不均勻和波動(dòng)引起的譜線加寬。
減小激光諧振腔腔長(zhǎng)變化對(duì)輸出激光噪聲的影響。具體技術(shù)方法上一方面加大比例系數(shù)a＝(Γcavity/Γgain)，這是通過上述兩種技術(shù)來進(jìn)行。另一方面在機(jī)械上固定腔長(zhǎng)，將兩個(gè)腔鏡固定在一個(gè)低熱漲系數(shù)材料加工的腔體上，并且整個(gè)激光諧振腔通過金屬絲懸掛于或通過軟性連接固定在真空腔體內(nèi)，從而減小振動(dòng)，聲波，溫度起伏所帶來的激光諧振腔腔長(zhǎng)變化的噪聲影響。
對(duì)于束流形式的激光增益束流介質(zhì)，通過調(diào)節(jié)粒子束流強(qiáng)度而調(diào)節(jié)激光的泵浦率r，從而來調(diào)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(diào)節(jié)激光諧振腔內(nèi)的平均光子數(shù)n，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(yīng)在可以接受范圍之內(nèi)。如圖2和圖3所示，泵浦率r的取值在1.5到3附近最好，這種優(yōu)化技術(shù)的目標(biāo)是要以此得到最窄線寬的輸出激光，同時(shí)又要保證有足夠的輸出激光功率，而另一方面又是在粒子束流強(qiáng)度允許的范圍之內(nèi)。
當(dāng)激光增益介質(zhì)是置于真空腔體內(nèi)的原子束，分子束或離子束時(shí)，與外界各種作用因素對(duì)激光增益介質(zhì)譜線的影響就大為減小，從而能得到激光增益介質(zhì)較小的條件滿足比例系數(shù)a＝(Γcavity/Γgain)≥5的要求。以鈣原子束為例子是在真空腔體內(nèi)將裝了鈣金屬的鈣爐加熱到650攝氏度左右由一個(gè)準(zhǔn)直縫中噴射出的熱鈣原子束流作為激光增益介質(zhì)，原子束流強(qiáng)度由爐體溫度控制決定。如果激光增益介質(zhì)是離子流，則方法上通過電場(chǎng)來調(diào)節(jié)束流速度和強(qiáng)度。對(duì)于各種不同類型的具體的粒子束流可以有不同種類的束流產(chǎn)生方法。激光增益介質(zhì)粒子在進(jìn)入激光諧振腔前由一個(gè)單獨(dú)受控制的激光器提供泵浦激光照射而產(chǎn)生增益介質(zhì)粒子能級(jí)間布居數(shù)反轉(zhuǎn)，并使增益介質(zhì)粒子束流強(qiáng)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(nèi)對(duì)多能級(jí)激光增益介質(zhì)進(jìn)行泵譜，技術(shù)上這些激光增益介質(zhì)也可以是激光冷卻后的囚禁粒子，或能級(jí)受外界的影響小到能滿足(1)所述條件的任何激光增益介質(zhì)。
直接用作光頻段頻率標(biāo)準(zhǔn)的激光器的結(jié)構(gòu)，參見圖一，下面進(jìn)行描述
發(fā)明主要包括由離子泵1維持著高真空的真空腔體2，原子爐3，準(zhǔn)直縫4，泵浦激光6，激光腔鏡7、8，控制電路13。真空腔體的適當(dāng)位置開有光窗5，光窗11，和光窗12。原子束9由原子爐3加熱后產(chǎn)生。加熱絲的電流和原子爐3的溫度由控制電路13所調(diào)節(jié)。
該發(fā)明需在高真空腔體2中實(shí)現(xiàn)。真空腔體中的高真空度長(zhǎng)期要求由其相連的離子泵1來維持。真空腔體2的適當(dāng)位置開有5，11，12等所需要的光窗，以便激光偶合時(shí)輸出輸入真空腔體2。也可在真空腔體內(nèi)部裝置光纖，由光纖偶合輸出激光。
在高真空腔體有能夠產(chǎn)生原子束的原子爐3。原子爐的溫度決定于所用的原子，所需的原子流量等因素。
在真空腔體2內(nèi)部與原子束9方向垂直的交叉位置放置由腔鏡7和8構(gòu)成的光頻諧振腔。
由腔鏡7和8構(gòu)成的光頻諧振腔和腔隔離物可由低熱漲系數(shù)的玻璃或陶瓷加工而成。即腔鏡7和8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7和8構(gòu)成的光頻諧振腔的模式中心頻率可由溫度控制來調(diào)節(jié)，也可由一端加上壓電陶瓷14來實(shí)現(xiàn)。在工作時(shí)將腔的模式中心頻率調(diào)節(jié)到原子的躍遷譜線附近并鎖定，這種鎖定由控制電路13來實(shí)現(xiàn)?？刂魄粶囟然蚩刂茐弘娞沾?4也是通過控制電路13來實(shí)現(xiàn)。
由腔鏡7和8構(gòu)成的光頻諧振腔滿足的腔模線寬一定大于介質(zhì)原子的增益線寬，這是本發(fā)明的主要特征之一。
在原子束進(jìn)入由腔鏡7和8構(gòu)成的光頻諧振腔之前，有一外加的泵浦光6，將原子從基態(tài)泵浦到所需的激發(fā)態(tài)上，實(shí)現(xiàn)在激光原理上所必須的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。
主動(dòng)式光頻段頻率標(biāo)準(zhǔn)各部件的連接關(guān)系，功能作用，和必要要求條件高真空腔體2及其相連的離子泵1是用來保證圖1所示的整個(gè)主動(dòng)式光頻段頻率標(biāo)準(zhǔn)中的主體部件能長(zhǎng)期工作于高真狀態(tài)，真空度優(yōu)于10-6乇。
真空管的長(zhǎng)度可小于50厘米。離子泵的體積小于一升。總之，以真空管體積與離子泵的抽速的協(xié)調(diào)來滿足真空度優(yōu)于10-6乇的要求。
由原子爐3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(shí)間有多少原子可供利用。爐孔由長(zhǎng)細(xì)管構(gòu)成。長(zhǎng)細(xì)管管長(zhǎng)0.5至2厘米，管徑0.1至0.5毫米，具體據(jù)原子束的流量與發(fā)散角等要求而定。為了加大流量而不至于同時(shí)加大發(fā)散角，可由長(zhǎng)細(xì)管陣列組成爐孔。
原子束從高溫的原子爐經(jīng)由爐孔噴出來后，進(jìn)一步準(zhǔn)直，可用小孔光攔4。也可利用激光冷卻原理對(duì)原子束的橫向發(fā)散進(jìn)行激光準(zhǔn)直。
準(zhǔn)直后原子束接著進(jìn)入泵浦區(qū)與泵浦光6作用。泵浦光6的功能是將處于基態(tài)的原子泵浦到激發(fā)態(tài)。原子從泵浦光得到的能量將在由腔鏡7和8構(gòu)成的光頻諧振腔中以受激輻射的形式釋放出來，從而輸出可以直接用作光頻段頻率標(biāo)準(zhǔn)的激光11。
光頻諧振腔由兩個(gè)反射鏡7和8組成。如果其中一個(gè)反射鏡7的反射系數(shù)遠(yuǎn)大與另一個(gè)反射鏡8的反射系數(shù)，則為單端輸出，如圖1.如果兩個(gè)反射鏡的反射系數(shù)一樣則為兩端輸出。本發(fā)明的主要特征，也是必要條件是這兩個(gè)反射鏡組成的光頻諧振腔滿足一個(gè)必要的條件，即7和8組成的光頻諧振腔的模式線寬要大于原子的增益線寬。
真空管上面的光窗5，光窗11，和光窗12以及其它所需要的光窗用于激光的輸出和饋入。在可能的條件下可以用光纖替代。
泵浦光6的光源可用腔穩(wěn)的半導(dǎo)體激光器來提供。泵浦光6的頻率是鎖定在需要的原子譜特定值上，由電路13實(shí)現(xiàn)。
最后，對(duì)于這種可以直接用作光頻段頻率標(biāo)準(zhǔn)的激光器可能作出并未脫離所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明范圍的各種變更和改型。更具體地說，必須認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明并不限于用作激光增益介質(zhì)的具體形式，而適用于任何形態(tài)的激光增益介質(zhì)的激光器，只要這種激光器中用的激光增益介質(zhì)的增益線寬可小于光頻諧振腔滿足的腔模線寬。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生直接用作光頻段頻率標(biāo)準(zhǔn)激光的方法，包括由一個(gè)準(zhǔn)直的原子束流作為激光增益介質(zhì)，將激光增益介質(zhì)置于真空內(nèi)，激光增益介質(zhì)粒子在進(jìn)入激光諧振腔前由一個(gè)單獨(dú)受控制的激光器提供泵浦激光照射而產(chǎn)生增益介質(zhì)粒子能級(jí)間布居數(shù)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)激光諧振腔縱模的頻率模線寬Γcavity大于所用激光增益介質(zhì)的增益頻率線寬Γgain。
2.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生直接用作光頻段頻率標(biāo)準(zhǔn)激光的方法，其特征在于對(duì)于束流形式的激光增益束流介質(zhì)，通過調(diào)節(jié)粒子束流強(qiáng)度而調(diào)節(jié)激光的泵浦率r，從而來調(diào)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，泵浦率r的取值在1.5到3最優(yōu)。
3.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生直接用作光頻段頻率標(biāo)準(zhǔn)激光的方法，其特征在于原子束流是不同種類的原子，分子或離子。
4.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生直接用作光頻段頻率標(biāo)準(zhǔn)激光的方法，其特征在于真空腔室內(nèi)的真空度大于10-6乇。
5.一種直接用作光頻段頻率標(biāo)準(zhǔn)的激光器，包括一真空腔體，真空腔體內(nèi)設(shè)有原子爐、泵浦激光器、由兩個(gè)腔鏡組成的激光諧振腔以及一控制系統(tǒng)，原子束從原子爐噴出，準(zhǔn)直后，進(jìn)入泵浦區(qū)與泵浦光作用，并將在光頻諧振腔中以受激輻射的形式釋放出來，從而輸出可以直接用作光頻段頻率標(biāo)準(zhǔn)的激光。
6.如權(quán)利要求5所述的直接用作光頻段頻率標(biāo)準(zhǔn)的激光器，其特征在于激光諧振腔的兩個(gè)腔鏡固定在低熱漲系數(shù)材料加工的真空腔體上。
7.如權(quán)利要求5所述的直接用作光頻段頻率標(biāo)準(zhǔn)的激光器，其特征在于整個(gè)激光諧振腔通過金屬絲懸掛于真空腔室內(nèi)。
8.如權(quán)利要求5所述的直接用作光頻段頻率標(biāo)準(zhǔn)的激光器，其特征在于真空腔體內(nèi)設(shè)有小孔光攔，用于準(zhǔn)直原子束。
9.如權(quán)利要求5所述的直接用作光頻段頻率標(biāo)準(zhǔn)的激光器，其特征在于真空腔體設(shè)有若干個(gè)光窗，用于激光的輸入和輸出。
全文摘要
本發(fā)明提供一種產(chǎn)生直接用作光頻段頻率標(biāo)準(zhǔn)激光的方法，該方法包括由一個(gè)準(zhǔn)直的原子束流作為激光增益介質(zhì)，將激光增益介質(zhì)置于真空內(nèi)，激光增益介質(zhì)粒子在進(jìn)入激光諧振腔前由一個(gè)單獨(dú)受控制的激光器提供泵浦激光照射而產(chǎn)生增益介質(zhì)粒子能級(jí)間布居數(shù)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)激光諧振腔縱模的頻率模線寬Γcavity大于所用激光增益介質(zhì)的增益頻率線寬Γgain，且利用本發(fā)明構(gòu)建的激光器輸出激光的線寬可以達(dá)到小于1赫茲，輸出的激光頻率非常穩(wěn)定，使得本發(fā)明所產(chǎn)生的激光可以直接用作光頻量子頻率標(biāo)準(zhǔn)。
文檔編號(hào)H01S3/08GK1776972SQ20051008693
公開日2006年5月24日 申請(qǐng)日期2005年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月18日
發(fā)明者陳景標(biāo) 申請(qǐng)人:北京大學(xué)