[发明专利]基于双光子超精细能级光谱的激光频率锁定装置及方法

说明书

本发明涉及激光频率的稳定技术，具体是一种基于双光子超精细能级光谱的激光频率锁定装置及方法。本发明采用飞秒脉冲泵浦与连续激光相结合的技术，由于飞秒脉冲可以近似的看成无线宽的激光，此时双子光谱的线宽极大的减小了，获得了窄线宽的双光子光谱。利用此窄线宽的双光子谱线稳定激光频率，可以极大的提高激光频率的稳定性、系统的鲁棒性，并且此方法简易适用性极广，可以稳定从300nm到1500nm的众多不同频率的激光。通过采用此方法，我们获得了1秒稳定度为10^‑9，30秒稳定度为10^‑10，300秒稳定度为10^‑11的频率超稳激光。整个装置具有结构简单、操作简便、易于调节、外界干扰小、稳定性强、精确度极高的优点。

技术领域

本发明涉及激光频率的稳定技术，具体是一种基于双光子超精细能级光谱的激光频率锁定装置及方法。

背景技术

现代社会中，信息的作用在军事与人们日常的生产生活中越来越重要，掌握信息越迅速、越准确、越丰富，也就掌握了主动权从而在军事与生产生活中取得领先。激光在空间控制性与时间控制性上具有显著的优势，使其对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工，激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，激光的出现引发了一场信息革命，从VCD、DVD光盘到激光照排，激光的使用大大提高了效率，方便了人们保存和提取信息。激光作为现代科学技术的重要标志，已经在文化娱乐、工业应用和科学研究等诸多领域得到广泛的应用，频率的稳定是激光的重要特性之一，激光频率稳定在信息的存储与精密加工中有重要的意义，这就使得激光的稳频技术得到更加的重视。

激光频率的稳定对研究高分辨率分子和原子光谱、激光干涉测量、冷却和俘获原子、光纤通信、频率选择光学资料存储具有重要意义。激光稳频的初期，由于只是关注参数稳定、工作状态和周围环境的调控，稳定度只能达到10^-8 数量级，收效甚微。六十年代中期日本的霜田光一等人提出用甲烷吸收线来稳定激光频率后, 激光频率稳定度激增, 很快达到10^-11数量级。利用原子、分子的跃迁谱线来锁定激光的频率使得激光频率稳定进入了一个新阶段。因此，国内外通常采用将激光频率锁定在原子、分子的跃迁谱线上的稳频方法来获得频率稳定的激光，这种方法通过解调原子饱和吸收光谱得到鉴频线来锁定激光频率，得到了很好的稳频效果。此时，光谱线的增宽效应掩盖了光谱结构的细节，成为限制激光频率稳定性提高的主要因素。光谱增宽的来源有三个因素：谱线的自然宽度、压致（碰撞）增宽、多普勒增宽。当压力小于1333Pa（10mmHg）时，压制增宽并不严重，与自然宽度有相同量级。其中多普勒增宽通常比自然宽度大两个数量级，是实际谱线宽度的主要成分。因此，无多普勒展宽技术对于激光频率稳定具有重要的意义。

国内外通常采用两种方法获得无多普勒光谱：一、冷却原子与分子技术。二、采用原子双光子跃迁技术。相比于冷却原子与分子装置庞大、复杂且昂贵的特点，原子的双光子跃迁技术因其简便性、稳定性、经济性成为利用无多普勒光谱稳定激光频率的首选。正因为双光子跃迁技术稳定激光频率方面的优越性，双光子跃迁被用于新一代的频率基准——光钟，双光子光钟在显著降低系统复杂度的同时，频标稳定性和鲁棒性也大大提高。利用原子双光子跃迁技术获得的无多普勒光谱的谱线宽度由激光器输出激光的线宽决定。传统获得的原子双光子谱线需要使用一台或者两台半导体激光器的连续激光。因此，半导体激光器输出连续激光的线宽决定了无多普勒光谱的线宽。然而，半导体激光器的激光线宽在兆赫兹（10⁶Hz）量级，使得无法进一步压窄双光子光谱的线宽。

发明内容

本发明为了解决现有利用原子与分子光谱激光的稳定技术易受原子运动产生的多普勒效应以及作用激光固有线宽影响双光子光谱谱线宽度，以至于降低激光的频率稳定效果等技术问题，利用飞秒脉冲泵浦与连续激光相结合获得窄线宽双光子跃迁光谱谱线，提供了一种基于双光子超精细能级光谱的激光频率锁定装置及方法。