一種大功率671nm激光獲取方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及提出一種大功率671nm激光獲取方法,屬于激光應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明方法用弱功率的種子激光注入鎖定常溫波長為658nm的高功率激光二極管，用閾值調(diào)節(jié)法找到最佳注入點，以達到獲得220mW的670.98nm單模激光的目的。本發(fā)明方法可操作性強，獲得的鋰原子冷卻激光單模性好，功率大。
【專利說明】一種大功率671 nm激光獲取方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及提出一種大功率671nm激光獲取方法，屬于激光應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來如何獲取高功率的鋰元素D線共振激光在鋰的冷原子實驗和量子簡并氣體研宄中倍受關(guān)注。該激光在空氣中的的波長為670.98nm，要求單模性好，目前的獲取方案或者代價高昂，或者輸出功率較低。
[0003]目前受限于半導(dǎo)體摻雜材料及工藝的影響，波長為671nm的半導(dǎo)體激光器的光功率不高，僅在50mW以內(nèi)，用此類激光管制作的外腔穩(wěn)頻激光器，往往只能工作在1mW以下，遠遠達不到冷原子實驗所要求的功率。
[0004]自1995年鋰的玻色愛因斯坦凝聚在萊斯大學(xué)實現(xiàn)以來，鋰元素漸漸成為冷原子領(lǐng)域的新寵。對于原子冷卻而言，鋰元素有兩大優(yōu)點，其一是擁有很簡單的能級結(jié)構(gòu)，其中包含循環(huán)躍迀能級，其二是與電磁場有很強的偶合作用。這兩大優(yōu)點決定了鋰很適合應(yīng)用用激光冷卻技術(shù)。鋰的自然豐度包含兩個同位素6Li與7Li。6Li是費米子，而7Li是玻色子，這樣可以從用鋰元素研宄兩種量子統(tǒng)計物理。對于這兩種同位素，我們可以方便的應(yīng)用Feshbach共振來調(diào)節(jié)它們的s波散射長度。鋰元素較寬的共振點和很輕的質(zhì)量是超冷原子實驗中很喜歡的特性。
[0005]為了得到更大的冷原子樣品，經(jīng)常要用磁光阱的技術(shù)來預(yù)冷卻原子。為了優(yōu)化磁光阱，普遍的做法是把冷卻激光的強度固定在飽和強度附近，然后盡可能提高激光功率來增大激光的半徑。冷卻激光的半徑增大，則裝載率增大。另一個要素是激光空間模式要求單模性好。鋰元素的D線共振激光就是在冷卻鋰原子時用到的冷卻激光，它的獲取目前受限于兩個途徑:染料激光器和外腔穩(wěn)頻激光器。染料激光器的優(yōu)點是能夠輸出瓦特量級的單色光，它的缺點是維護工作很煩瑣，固有的噪聲較大，需要很昂貴的泵浦激光。為了得到好的空間模式質(zhì)量，外腔穩(wěn)頻激光器的特征輸出功率限制在50mW以內(nèi)。因而需要后續(xù)的激光放大措施來增大激光功率。用到的兩個放大的方法是錐形放大器和激光注入鎖定。前者做法是把外腔穩(wěn)頻激光器輸出模式良好的種子激光耦合到錐形放大器中，光子在錐形腔內(nèi)經(jīng)過雪崩式放大，輸出功率可達到500mW，它的缺點是價格昂貴，并且如果操作不當，容易將錐形放大器燒壞。后者的做法類似，但目前的做法受限于從激光管的選取以及注入鎖定的調(diào)節(jié)技術(shù)，因而得到的激光功率較低，僅為SOmW左右，用它作為磁光阱的冷卻光，限制了冷原子樣品的質(zhì)量。最近出現(xiàn)另外一個方案，采用全固態(tài)激光源的方法，將1342nm的激光倍頻，從而獲得了 671nm高功率輸出的激光，但該方案技術(shù)難度高，不利于推廣。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是克服220mW鋰原子冷卻激光獲得途徑的昂貴性和技術(shù)難度高的缺點，提出一種大功率671nm激光獲取方法。該方法用弱功率的種子激光注入鎖定常溫波長為658nm的高功率激光二極管，以達到獲得220mW的670.98nm單模激光的目的。
[0007]本發(fā)明是通過以下技術(shù)來實現(xiàn)的:
[0008]步驟一，采用常溫(25°C )波長在658nm±lnm范圍內(nèi)，功率300mW以上的激光管，作為第二級從激光器，第一級從激光器采用常溫下波長為675nm的激光器。
[0009]步驟二，選擇670nm外腔激光器產(chǎn)生的激光作為種子激光，通過電流、溫度及外腔腔長的調(diào)節(jié)，把種子激光調(diào)節(jié)為單模塊670.98nm輸出，功率為1.4mff?使用閥值調(diào)節(jié)法將種子激光以最好的注入點注入第一級從激光。
[0010]所述閾值調(diào)節(jié)法的具體做法為:
[0011]步驟2.1，調(diào)節(jié)第一級從激光器溫度到5°C左右，使得第一級從激光在閾值輸出，用光功率計監(jiān)測第一級從激光的光功率；
[0012]步驟2.2，第一級從激光在經(jīng)過隔離及耦合光路后，使用兩個反光鏡將種子激光耦合注入第一級從激光；
[0013]步驟2.3，反復(fù)調(diào)節(jié)用于將種子激光耦合進第一從激光的兩個反光鏡，使光功率計中的讀數(shù)達到最大；
[0014]步驟2.4，然后降低第一級從激光器的工作電流，重復(fù)步驟2.2-步驟2.3的操作，直到光功率計的最大讀數(shù)達到未注入種子激光時的3倍，將此時的注入鎖定狀態(tài)作為最佳注入鎖定點。
[0015]所述閾值法調(diào)節(jié)的前提是第一級從激光在閾值時的波長與種子激光波長相差不超過約4nm。
[0016]步驟三，第二級從激光器在閥值輸出第二級從激光，用溫控器把第二級從激光器溫度穩(wěn)定在70度，使第二級從激光波長增大10nm。
[0017]步驟四，第二級從激光在經(jīng)過隔離及耦合光路后，將步驟二得到的注入種子激光后的第一級從激光注入第二級從激光，使用閥值調(diào)節(jié)法調(diào)節(jié)，直到找到最佳注入鎖定點。
[0018]步驟4.1，第二級從激光在經(jīng)過隔離及耦合光路后，使用兩個反光鏡將第一級激光耦合注入第二級從激光；用光功率計監(jiān)測第二級從激光的光功率；
[0019]步驟4.2，將注入第一級從激光后的第二級從激光通過法布里一珀羅腔(FP腔)，觀察第二級從激光的譜線；
[0020]步驟4.3，反復(fù)調(diào)節(jié)用于將第一級從激光注入第二級從激光的兩個反光鏡，使光功率計中的讀數(shù)達到最大；
[0021]步驟4.4，接著把第二級從激光器溫度降低到40度，增大第二級從激光器的工作電流，通過觀察FP腔中的信號，使第二級從激光譜線底部形成光滑曲線，將此刻的注入鎖定狀態(tài)作為最佳注入鎖定點。此時獲得的第二級從激光則為220mW的670.98nm單模激光。
[0022]有益效果
[0023]本發(fā)明方法可操作性強，獲得的鋰原子冷卻激光單模性好，功率大。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明方法的流程圖；
[0025]圖2是【具體實施方式】中的67 Inm兩級激光注入鎖定裝置光路圖；
[0026]標號說明:1a-第一光電二極管、Ib-第二光電二極管、Ic-第三光電二極管、2-FP腔、3a_第一光隔離器、3b_第二光隔離器、3c-第三光隔離器、4a_第一偏振分束器、4b_第二偏振分束器、4c_第三偏振分束器、4d_第四偏振分束器、5a_第一反光鏡、5b_第二反光鏡、5c-第三反光鏡、5d-第四反光鏡、5e-第五反光鏡、5f-第六反光鏡、5g-第七反光鏡、5h_第八反光鏡、51-第九反光鏡、5 j-第十反光鏡、6a-第一柱面鏡、6b-第二柱面鏡、6c-第三柱面鏡、6d-第四柱面鏡、6e-第五柱面鏡、6f-第六柱面鏡、7a-第一人/2濾波片、713-第二 λ/2濾波片、7c-第三λ/2濾波片、7d-第四λ/2濾波片、7e-第五λ/2濾波片、7f-第六λ/2濾波片、7g_第七λ /2濾波片、

【具體實施方式】
[0027]本發(fā)明提出一種用弱功率的種子激光注入鎖定常溫波長為658nm的高功率激光二極管，獲得220mW的670.98nm單模激光。
[0028]具體操作過程如下:
[0029]在658nm附近，有高達300mW的廉價激光管。本實施例選擇了三菱公司生產(chǎn)的ML101F27與LPC826，兩者價格都在45元人民幣左右。
[0030]挑選出ML101F27與LPC826常溫波長較長的激光管，22°C下出射的激光波長分別為658.6nm與657.6nm。主激光采用TOPTICA公司生產(chǎn)的670nm外腔激光器，最大輸出功率為2mW。通過電流、溫度及外腔腔長的調(diào)節(jié)，把主激光調(diào)節(jié)為單模塊670.98nm輸出，功率為1.4mW。由于主激光功率只有從激光功率的1/200，遠低于注入鎖定要求，因而選擇兩級注入鎖定方案:先用主激光注入一臺最大輸出功率為15mW的675nm從激光器，再用第一級從激光注入鎖定第二級從激光。
[0031]兩個從激光器的控制器中的電流源電流輸出可達650mA，精度為I μΑ以下，溫度控制器的溫控范圍為10°c到75°C。這種注入鎖定的難度在于如何調(diào)節(jié)光路使種子光與從激光做到模式匹配。進行閾值調(diào)節(jié)，具體做法為:先把從激光調(diào)節(jié)在閾值輸出附近，注入種子光，在隔離及耦合光路之后，用功率計監(jiān)測從激光的光功率，此時調(diào)節(jié)用于將種子光耦合進從激光的兩個反射鏡，反復(fù)調(diào)節(jié)使光功率計中的讀數(shù)最大，然后再進一步降低從激光工作電流，重復(fù)前面的操作，直到光功率計的最大讀數(shù)是不注入種子光時的3倍左右。經(jīng)過閾值調(diào)節(jié)方法，可以認為種子光與從激光的模式匹配良好，再增大從激光的電流，通過觀察FP腔中的信號，就可以很輕松找到最佳注入鎖定點。閾值法調(diào)節(jié)的前提是從激光在閾值時的波長與種子光波長差不超過約4nm，否則由于波長超過注入范圍也無法看到功率信號的增長，第一級從激光注入鎖定很容易通過閾值法實現(xiàn)。由于第二級從激光波長與種子光波長差13nm，想要用閾值法，必須先增大從激光波長:用溫控器把第二級從激光管溫度穩(wěn)定在約70度，從激光波長增大10nm，然后用閾值調(diào)節(jié)法使第一級從激光與從激光模式匹配并重合良好，接著把第二級從激光管溫度降低到40度，增大工作電流，尋找注入鎖定點。如果增大電流找不到注入點，再小幅度增加溫度，直到找到良好的注入鎖定點。
[0032]本實施例提出一種671nm兩級激光注入鎖定裝置，包括波長計a、示波器、第一從激光器、第二從激光器、主激光器、波長計b、第一光電二極管、第二光電二極管、第三光電二極管、FP腔、第一光隔離器、第二光隔離器、第三光隔離器、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第三偏振分束器、第四偏振分束器、十個相同的反光鏡、六個相同的柱面鏡、八個相同的λ /2濾波片。
[0033]連接關(guān)系為:波長計a與第一光電二極管相連接；示波器與第二光電二極管相連接，第二光電二極管的光路依次穿過FP腔的中心軸、第一偏振分束器，到達第二反光鏡；第一偏振分束器的正上方為第一反光鏡，正下方為第一 X /2濾波片;第一反光鏡的中心與波長計a、第一光電二極管位于一條直線上；第一偏振分束器的正右方為第二反光鏡，第二反光鏡的正下方為第三反光鏡；第一 λ/2濾波片的正下方為第二偏振分束器，第二偏振分束器的中心在第三反光鏡的正左方；第二偏振分束器正下方為第三λ/2濾波片；偏正分束器的正左側(cè)依次為第二 λ/2濾波片、第一光隔離器、第二柱面透鏡、第一柱面透鏡、第二級從激光器；第三λ/2濾波片正下方為第四反光鏡，第四反光鏡的正右方為第五反光鏡，第五反光鏡的正下方為第六反光鏡，第六反光鏡的正左方為第三偏振分束器；第三偏振分束器的正左方依次為第四λ/2濾波片、第二光隔離器、第四柱面透鏡、第三柱面透鏡、第一從激光光器；第三偏振分束器的正下方為第五λ/2濾波片，第五λ/2濾波片正下方為第七反光鏡，第七反光鏡正右方為第八反光鏡，第八反光鏡的正下方為第九反光鏡，第九反光鏡的正左方為第四偏振分束器；第四偏振分束器的正左方以此為第六λ/2濾波片、第三光隔離器、第六柱面鏡、第五柱面鏡、種子激光器；第四偏振分束器的正下方為第七λ/2濾波片，第七λ/2濾波片正下方為第十反光鏡，第十反光鏡的正左方為第三光電二極管，第三光電二極管連接著波長計b。
[0034]671nm兩級激光注入鎖定裝置的光路及工作過程為:種子激光采用TOPTICA公司生產(chǎn)的670nm外腔激光器產(chǎn)生的激光，把種子激光調(diào)節(jié)為單模塊670.98nm輸出，功率為1.4mW，種子激光通過焦距分別為150mm和50mm的第五柱面鏡和第六柱面鏡，再依次通過第三光隔離器、第七λ /2濾波片、第四偏振分束器、第九反光鏡、第八反光鏡、第七反光鏡與第一級從激光進行注入鎖定；第一級從激光以相同的方式通過柱面鏡、光隔離器和濾波片到達第三偏振分束器；第一級從激光通過反射鏡到達第二偏振分束鏡，繼而通過光隔離器，注入鎖定第二級從激光，使產(chǎn)生的光通過FP腔和波長計a，進行觀察，當發(fā)現(xiàn)第二級從激光的譜線被吸合到種子激光譜線上，且底部光滑，則完成第二級從激光的注入鎖定，此時波長計中顯示的是種子激光波長，最終獲得了獲得220mW的670.98nm單模激光。
【權(quán)利要求】
1.一種大功率671nm激光獲取方法，其特征在于:具體包括如下步驟: 步驟一，采用常溫波長在658nm土 Inm范圍內(nèi)，功率300mW以上的激光管，作為第二級從激光器，第一級從激光器采用常溫下波長為675nm的激光器； 步驟二，選擇670nm外腔激光器產(chǎn)生的激光作為種子激光，通過電流、溫度及外腔腔長的調(diào)節(jié)，把種子激光調(diào)節(jié)為單模塊670.98nm輸出，功率為1.4mff ;使用閥值調(diào)節(jié)法將種子激光以最好的注入點注入第一級從激光； 所述閾值調(diào)節(jié)法的具體做法為: 步驟2.1，調(diào)節(jié)第一級從激光器溫度到5°C，使得第一級從激光在閾值輸出，用光功率計監(jiān)測第一級從激光的光功率； 步驟2.2，第一級從激光在經(jīng)過隔離及耦合光路后，使用兩個反光鏡將種子激光耦合注入第一級從激光； 步驟2.3，反復(fù)調(diào)節(jié)用于將種子激光耦合進第一從激光的兩個反光鏡，使光功率計中的讀數(shù)達到最大； 步驟2.4，然后降低第一級從激光器的工作電流，重復(fù)步驟2.2-步驟2.3的操作，直到光功率計的最大讀數(shù)達到未注入種子激光時的3倍，將此時的注入鎖定狀態(tài)作為最佳注入鎖定點； 步驟三，第二級從激光器在閥值輸出第二級從激光，用溫控器把第二級從激光器溫度穩(wěn)定在70度，使第二級從激光波長增大1nm ； 步驟四，第二級從激光在經(jīng)過隔離及耦合光路后，將步驟二得到的注入種子激光后的第一級從激光注入第二級從激光，使用閥值調(diào)節(jié)法調(diào)節(jié)，直到找到最佳注入鎖定點； 步驟4.1，第二級從激光在經(jīng)過隔離及耦合光路后，使用兩個反光鏡將第一級激光耦合注入第二級從激光；用光功率計監(jiān)測第二級從激光的光功率； 步驟4.2，將注入第一級從激光后的第二級從激光通過法布里一珀羅腔，觀察第二級從激光的譜線； 步驟4.3，反復(fù)調(diào)節(jié)用于將第一級從激光注入第二級從激光的兩個反光鏡，使光功率計中的讀數(shù)達到最大； 步驟4.4，接著把第二級從激光器溫度降低到40度，增大第二級從激光器的工作電流，通過觀察法布里一珀羅腔中的信號，使第二級從激光譜線底部形成光滑曲線，將此刻的注入鎖定狀態(tài)作為最佳注入鎖定點；此時獲得的第二級從激光則為220mW的670.98nm單模激光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大功率671nm激光獲取方法，其特征在于:所述閾值法調(diào)節(jié)的前提是第一級從激光在閾值時的波長與種子激光波長差小于等于4nm。
【文檔編號】H01S3/098GK104518418SQ201410822249
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月25日
【發(fā)明者】曹強, 潘昌基 申請人:北京理工大學(xué)