專利名稱：基于四能級量子系統(tǒng)的主動激光頻率標(biāo)準(zhǔn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域和時間頻率標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)領(lǐng)域，涉及四能級量子系統(tǒng)激光技術(shù)，特別涉及一種基于四能級量子系統(tǒng)的主動激光頻率標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生裝置和方法，可以輸出線寬遠(yuǎn)比原子譜的自然線寬小的激光。
背景技術(shù)：
采用原子頻率標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量是所有科學(xué)測量方法中精度最高的一種，它有著十分廣泛的科學(xué)研究和實際應(yīng)用價值。利用原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的高準(zhǔn)確度，可以測量原子、分子的基本參數(shù)，測量宇宙學(xué)和天文學(xué)的相關(guān)物理量，可以在更高精度測量的實驗平臺上發(fā)現(xiàn)和認(rèn)知新的物理現(xiàn)象。在應(yīng)用方面，原子頻率標(biāo)準(zhǔn)鐘可用在精密原子譜、授時、全球?qū)Ш蕉ㄎ坏阮I(lǐng)域。傳統(tǒng)的激光頻率標(biāo)準(zhǔn)，由于輸出激光頻率是通過鑒頻或鑒相技術(shù)被動式地鎖定在一種量子體系的量子躍遷線上，因此都屬于被動式的。被動式的激光頻率標(biāo)準(zhǔn)，用來鑒頻的激光光源的頻率線寬目前最好的在IHz左右，這限制了在光頻率領(lǐng)域上實現(xiàn)更高分辨率的能力。主動式的激光頻率標(biāo)準(zhǔn)，在原理上可以輸出線寬遠(yuǎn)比原子譜的自然線寬小的激光，突破目前激光頻率標(biāo)準(zhǔn)的一些限制(如對本振激光線寬的依賴)，并可實現(xiàn)激光頻率標(biāo)準(zhǔn)的小型化。依據(jù)主動激光頻率標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)理，激光器輸出的激光可以直接用做激光頻率標(biāo)準(zhǔn)，提供高穩(wěn)定度高準(zhǔn)確度的光頻頻率標(biāo)準(zhǔn)，還可利用其遠(yuǎn)小于原子譜自然線寬的高準(zhǔn)確譜進(jìn)行超高精密激光光譜測量。目前主動激光頻率標(biāo)準(zhǔn)實驗方案大致可分為兩類，一是囚禁的量子系統(tǒng)，二是束流量子系統(tǒng)。對于束流型的主動激光頻率標(biāo)準(zhǔn)，由于剩余多普勒頻移，限制了激光頻率標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度?；谇艚牧孔酉到y(tǒng)的主動激光頻率標(biāo)準(zhǔn)，腔內(nèi)泵浦可以提高輸出激光功率，并可望消除多普勒效應(yīng)；但是仍然存在一些問題，主要是囚禁光場的光頻移和泵浦光場的光頻移。對于囚禁光場的光頻移，利用光晶格囚禁冷原子的方法，可通過特殊波長激光來消除；而泵浦光場的光頻移，只可采用四能級量子系統(tǒng)來消除。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提供一種基于四能級量子系統(tǒng)的主動激光頻率標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生裝置和方法，能夠有效避免泵浦光場帶來的光頻移，輸出的激光具有非常好的頻率穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。本發(fā)明的基于四能級量子系統(tǒng)的主動激光頻率標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生裝置，其包括—法珀腔，其入射端的腔鏡鍍有泵浦激光增透膜和輸出激光反射膜，其輸出端的腔鏡鍍有泵浦激光全反膜和輸出激光反射膜；一充有增益介質(zhì)的封閉室，位于所述法珀腔中，所述增益介質(zhì)為四能級量子系統(tǒng)的原子氣體，其增益線寬小于激光諧振腔腔模線寬的二分之一；一激光器，用于產(chǎn)生泵浦激光，將所述原子氣體從基態(tài)能級激發(fā)至第四能級。
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本發(fā)明的基于四能級量子系統(tǒng)的主動激光頻率標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生方法，適用于上述裝置，其步驟包括I)在一法珀腔內(nèi)設(shè)一充有增益介質(zhì)的封閉室，該增益介質(zhì)為四能級量子系統(tǒng)的原子氣體，其增益線寬小于激光諧振腔腔模線寬的二分之一；2)在所述法珀腔一端射入泵浦激光，將所述原子氣體從基態(tài)能級激發(fā)至第四能級；3)所述第四能級上的原子通過自發(fā)輻射向低能級躍遷，在第三能級和第二能級實現(xiàn)原子布居數(shù)反轉(zhuǎn)；4)所述第三能級上的原子自發(fā)輻射躍遷至所述第二能級，在所述法珀腔的反饋作用下產(chǎn)生受激輻射，并從所述法珀腔另一端輸出激光。與通常的激光相比，本發(fā)明的基于四能級量子系統(tǒng)的主動激光頻率標(biāo)準(zhǔn)其主要特點是I)激光增益介質(zhì)的增益線寬遠(yuǎn)小于激光諧振腔的腔模線寬，即學(xué)術(shù)上所說的壞腔結(jié)構(gòu)，可極大地降低腔模的頻移效應(yīng)，即降低了宏觀腔長變化對輸出頻率的影響，僅保留腔模的弱反饋功能；2)激光增益介質(zhì)的增益譜線是被建議用于激光頻率標(biāo)準(zhǔn)的躍遷譜線，即增益線寬遠(yuǎn)小于腔模線寬，使得輸出激光頻率基本決定于原子躍遷，所以具有量子標(biāo)準(zhǔn)的特性；3)利用了四能級的量子系統(tǒng)，泵浦激光對應(yīng)著四個能級中的能量最低和最高兩個量子能級，受激發(fā)射的激光頻率標(biāo)準(zhǔn)躍遷對應(yīng)著能量居中的兩個能級，避免了泵浦激光兩個能級與激光頻率標(biāo)準(zhǔn)躍遷兩個能級的重疊，進(jìn)而避免了泵浦激光引起的光頻移；4)激光諧振腔的腔模線寬大于原子的激光頻率標(biāo)準(zhǔn)受激躍遷能級的自然線寬與渡越增寬，使得輸出超窄線寬激光的中心頻率工作在原子躍遷頻率決定的數(shù)值上，極大地降低了諧振腔本身長度變化帶來的噪聲。以上特點決定了四能級量子系統(tǒng)主動式激光頻率標(biāo)準(zhǔn)所輸出的激光具有非常好的頻率穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，其中心頻率完全決定于具有量子特性的原子而不是具有宏觀特性的諧振腔，可直接用作量子時間頻率標(biāo)準(zhǔn)。同時，遠(yuǎn)小于原子譜自然線寬的高準(zhǔn)確譜，可將高精密激光光譜向更高精度推進(jìn)，對原子結(jié)構(gòu)理論和量子電動力學(xué)進(jìn)行更高精度的檢驗。


圖I為本發(fā)明實施例的四能級量子系統(tǒng)的銣原子能級結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實施例中基于四能級量子系統(tǒng)的激光頻率標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明實施例的銣原子主動激光頻率標(biāo)準(zhǔn)的能級布居數(shù)反轉(zhuǎn)示意圖。其中1-泵浦激光器電源，2-泵浦激光器，3-泵浦激光，4-法珀腔，5-腔鏡，6_封閉室，7-銣原子氣體,8-腔鏡,9-輸出激光。
具體實施例方式為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面通過實施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)地描述。
本實施例選用的一種典型四能級量子系統(tǒng)為銣原子，其能級結(jié)構(gòu)圖如圖I所示， 從低能級到高能級依次為第一、第二、第三和第四能級。基于銣原子四能級量子系統(tǒng)產(chǎn)生主動激光的基本原理簡述如下I)采用銣原子氣體作為增益介質(zhì)，首先用一束對應(yīng)著銣原子能級5S到6P躍遷波長的421nm激光作為泵浦光去泵浦銣原子；2)在泵浦光作用下，處于基態(tài)5S1/2 (即四能級量子系統(tǒng)的第一個能級)的原子躍遷到第四個能級6P1/2態(tài)上；3)處于第四能級的原子，通過自發(fā)輻射躍遷到低能級，包括第一能級5S1/2態(tài)、第三能級6S1/2態(tài)和第五能級4D3/2態(tài)上；4)經(jīng)過一定時間后，第三能級6S1/2態(tài)上的原子數(shù)目超過第二能級5P3/2態(tài)上的原子數(shù)目，實現(xiàn)能級6S1/2態(tài)和5P3/2態(tài)之間的原子布居數(shù)反轉(zhuǎn)；5)第三能級6S1/2態(tài)上的原子通過自發(fā)輻射躍遷到第二能級5P3/2態(tài)，發(fā)射 1366. 9nm熒光，在法珀腔作用之下產(chǎn)生受激輻射，當(dāng)受激輻射超過閾值達(dá)到實現(xiàn)激光的自激振蕩的輸出條件后，在腔內(nèi)形成穩(wěn)定的達(dá)到閾值之上的激光振蕩，最后輸出對應(yīng)能級 6S1/2態(tài)和5P1/2態(tài)之間躍遷的1366. 9nm激光，作為激光頻率標(biāo)準(zhǔn)，即主動激光頻率標(biāo)準(zhǔn)。本實施例的基于銣原子四能級量子系統(tǒng)的激光頻率標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生裝置，其組成結(jié)構(gòu)如圖2所示?，F(xiàn)結(jié)合激光產(chǎn)生過程對其中各部件說明如下I)驅(qū)動電源I為激光器2供電，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的腔鏡5上，腔鏡5鍍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% ;反射膜的反射率根據(jù)細(xì)度要求、自由光譜范圍和腔模線寬確定。3)421nm激光3通過腔鏡之后入射到一封閉室(玻璃泡或真空室)6中，與其中的增益介質(zhì)即銣原子氣體7相互作用，將處于第一能級5S1/2態(tài)上原子泵浦到第四能級6P1/2態(tài)上。處于第四能級6P1/2態(tài)的原子自發(fā)輻射而向下躍遷，經(jīng)過一定時間后形成第三能級6S1/2 態(tài)和第二能級5P3/2態(tài)之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，如圖3所示。圖3中橫坐標(biāo)為421nm激光與銣原子氣體7的相互作用時間，縱坐標(biāo)為粒子數(shù)在相應(yīng)能級上的布居概率，P Il-P 66分別是第一能級到第六能級的相應(yīng)能級上的布居概率。4)第三能級6S1/2態(tài)上的原子自發(fā)輻射躍遷到第二能級5P3/2態(tài)上，自發(fā)輻射 1366. 9nm熒光，法珀腔4的腔鏡8鍍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蕩，達(dá)到閾值之上后輸出1367nm激光9，作為激光頻率標(biāo)準(zhǔn)。上述實施例中，采用銣原子作為四能級量子系統(tǒng)，但本發(fā)明的增益介質(zhì)不限于此， 具有相類同能級結(jié)構(gòu)的其它堿金屬原子，如鋰、鈉、鉀、銫，也可以實現(xiàn)本發(fā)明所述的四能級量子系統(tǒng)的主動式激光頻率標(biāo)準(zhǔn)。所述原子氣體既可為純原子氣體，也可為混合原子氣體。本發(fā)明的基于四能級量子系統(tǒng)的主動激光頻率標(biāo)準(zhǔn)的是利用四能級量子系統(tǒng)，在泵浦激光和壞腔作用之下，形成窄線寬激光輸出。本發(fā)明在此情形下與已有的所有其它激光器相區(qū)別。最后應(yīng)說明的是以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其進(jìn)行限制， 盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解其依然可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而這些修改或者等同替換亦不能使修改后的技術(shù)方案脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于四能級量子系統(tǒng)的主動激光頻率標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生裝置，其包括一法珀腔，其入射端的腔鏡鍍有泵浦激光增透膜和輸出激光反射膜，其輸出端的腔鏡鍍有泵浦激光全反膜和輸出激光反射膜；一充有增益介質(zhì)的封閉室，位于所述法珀腔中，所述增益介質(zhì)為四能級量子系統(tǒng)的原子氣體，其增益線寬小于激光諧振腔腔模線寬的二分之一；一激光器，用于產(chǎn)生泵浦激光，將所述原子氣體從基態(tài)能級激發(fā)至第四能級。
2.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述封閉室為透明玻璃泡。
3.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述原子為堿金屬原子，所述原子氣體為純原子氣體或混合原子氣體。
4.一種基于四能級量子系統(tǒng)的主動激光頻率標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生方法，其步驟包括1)在一法珀腔內(nèi)設(shè)一充有增益介質(zhì)的封閉室，該增益介質(zhì)為四能級量子系統(tǒng)的原子氣體，其增益線寬小于激光諧振腔腔模線寬的二分之一；2)在所述法珀腔一端射入泵浦激光，將所述原子氣體從基態(tài)能級激發(fā)至第四能級；3)所述第四能級上的原子通過自發(fā)輻射向低能級躍遷，在第三能級和第二能級實現(xiàn)原子布居數(shù)反轉(zhuǎn)；4)所述第三能級上的原子自發(fā)輻射躍遷至所述第二能級，在所述法珀腔的反饋作用下產(chǎn)生受激輻射，并從所述法珀腔另一端輸出激光。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述封閉室為透明玻璃泡。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述原子為堿金屬原子，所述原子氣體為純原子氣體或混合原子氣體。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述原子氣體為銣原子氣體，其基態(tài)能級為 5S1/2態(tài)，第二能級為5P3/2態(tài)，第三能級為6S1/2態(tài)，第四能級為6P1/2態(tài)。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述泵浦激光的波長為421nm，輸出激光的波長為1367nm。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于四能級量子系統(tǒng)的主動激光頻率標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生裝置和方法。首先在一法珀腔內(nèi)設(shè)一充有增益介質(zhì)的氣室，該增益介質(zhì)為四能級量子系統(tǒng)的原子氣體。然后在所述法珀腔一端射入泵浦激光，將所述原子氣體從基態(tài)能級激發(fā)至第四能級。第四能級上的原子通過自發(fā)輻射向低能級躍遷，在第三能級和第二能級實現(xiàn)原子布居數(shù)反轉(zhuǎn)。第三能級上的原子自發(fā)輻射或受激輻射光子躍遷至所述第二能級，在所述法珀腔的作用下產(chǎn)生受激輻射，并從所述法珀腔另一端輸出激光。本發(fā)明的主動激光頻率標(biāo)準(zhǔn)具有非常好的頻率穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
文檔編號H01S3/00GK102593694SQ20121003432
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月15日
發(fā)明者莊偉 , 張同剛, 陳景標(biāo) 申請人:北京大學(xué)