[发明专利]用分离场技术实现激光输出的方法及分离场激光器

说明书

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及用分离场技术实现激光输出的方法及其设备，产生的激光作为高准确度高稳定度的相干激光光源，也可以用高性能的光频频率标准。

背景技术

拉姆塞(N.F.Ramsey)在1949年提出分离场技术并在频率标准(原子钟)上的成功运用获得1989年度诺贝尔物理学奖。至今，拉姆塞提出的分离场技术已是所有高性能基准原子钟和原子干涉仪的基础。但是到目前为止，所有分离场技术仅仅是用于测量物理粒子对电磁场的吸收频谱方面，从来未被用于物理粒子的受激发射电磁场的产生或测量上。换句话说，从来未被直接用于产生激光输出的激光器。

发明内容

本发明克服了普通激光器产生的激光信号线宽太宽准确度低且稳定性差的缺点，将波谱学中的分离场技术首次应用于物理粒子的受激辐射电磁场的产生上，即利用分离场技术直接产生激光输出，提供一种产生分离场激光的方法，相关的设备可称为分离场激光器。这种新型激光器在技术特征上，此激光器的激光增益介质与激光腔的场模有几次时间域上分离开来的相干作用。这种激光器输出的激光具有一般激光器所没有的一些优点，如频率稳定性好，频率准确度高等。

本发明的技术内容：一种用分离场技术实现激光输出的方法，其步骤为：

(1)利用分离场技术，把激光谐振腔分成两个或更多的折合部分，并使与同一原子发生作用的分离场光波相位差一定；

(2)原子束进入激光谐振腔之前先被泵浦到激发态，实现布居数反转，进入分离场激光谐振腔并与之相互作用；

(3)处于激发态的原子束先进入谐振腔的第一个分离场时，调整谐振腔参数激发腔模与原子跃迁谱线匹配，当腔内增益大于损耗时形成激光震荡，原子有部分几率受激发射而发出激光；

(4)原子飞出谐振腔的第一分离场，受到光栅的衍射和阻拦，只有部分原子可以到达谐振腔的其他分离场，调整光栅常数与空间位置使部分原子顺利通过，原子与谐振腔分离场相互耦合，产生激光；

(5)原子与谐振腔的所有分离场相互耦合产生出的激光信号，被检测系统接收或输出提供应用。

控制谐振腔的Q值，使腔模线宽大于甚至远大于激光增益线宽。

控制腔模，使得所产生的激光信号的频率线宽小于普通的拉姆塞分离场受激吸收信号的频率线宽。

利用分离场技术，把激光谐振腔分成两个或更多个的折合部分，为解释简单起见，仅举两分离场的情形为例子来解释工作原理。参考附图，原子与激光谐振腔分两次相互耦合。处于激发态的原子束进入谐振腔的第一个分离场时，发生部分跃迁，调整谐振腔参数激发腔模与原子跃迁谱线匹配，可以激发腔模与原子的作用强度，当腔内增益大于损耗时形成激光震荡，发出激光。然后原子飞出谐振腔的第一个分离场，进入谐振腔的第二个分离场再与之发生相互作用。在此过程中要保证两个相互作用区中的辐射场与原子作用时的相位一致，或保持相位差恒定。由于光波波长很短，原子炉出射的发散原子会破坏此条件，所以需要在谐振腔的两个分离场之间放置特制的栅格，使与同一原子发生作用的两部分腔体内的光波相位一致，即相干而获得增强的激光信号，通过调整栅格常数可以使这部分原子顺利通过。而那些在两次相互作用光波位相相消的原子就会被阻挡住，从而消除其对产生的激光信号带来的负面影响。也可以利用三个驻波的三分离场形式，或四行波的四分离场形式来实现分离场激光而不必使用特制栅格来选择特定的部分原子.

一种分离场激光器，包括真空腔体，真空腔体内设有的原子炉、原子束准直器，泵浦激光器以及光电检测装置，其特征在于：真空腔体内还设有，与原子束垂直的由全反镜、反射镜组成包括两个或多个分离场的激光谐振腔和用于限制原子束的栅格，原子束从控温后的原子炉喷出，准直后，先被泵浦到激发态，实现布居数转，再进入分离场激光谐振腔第一个部分与之相互作用，飞出谐振腔的分离场第一个部分以后，受到光栅的衍射与阻拦，只有部分原子可以到达谐振腔的分离场第二个部分，与谐振腔的分离场相互耦合，产生出激光信号，被检测系统接收或输出应用。

真空腔体设有若干个光窗，用于激光的输入和输出。