專利名稱：再泵浦激光設備及其獲得再泵浦激光的方法
技術領域：
本發明涉及再泵浦激光設備，尤其涉及用于銣87原子冷卻的再泵浦激光設備及其獲得再泵浦激光的方法。
背景技術：
在做銣87原子冷卻的實驗(或應用)中，會利用激光阱來減速原子，如圖1所示， 當原子在F = 2態時，會吸收冷卻激光光子躍遷到F’ = 3態，處于激發態的原子會自發輻射光子，回到基態，統計上來講，原子在這個過程中會減速。當原子從激發態回到基態，大部分會留在F = 2態，進行循環躍遷，從而得到持續減速，但有一部分概率會回到F = 1態，回到F = 1態后，原子就不會吸收冷卻激光的光子，就不會得到減速，而從長時間來看，留在F =1的原子數會越來越多，最終全部變為F = 1態，冷卻停止。此時，如果在冷卻光的基礎上疊加一束再泵浦光，則可以將F = 1的原子泵浦以躍遷到F’ = 2態，F’ = 2態的原子又會回到F = 2態，再次回到循環躍遷。簡而言之，如果沒有再泵浦光，是無法進行原子冷卻的。要求泵浦激光比冷卻激光頻率大6. 8G，線寬在IM以內，功率在IOmW以上。現有的獲取再泵浦激光的方式為用一套飽和吸收鎖頻激光系統(如圖2所示) 獲取冷卻光，在此基礎上，用另一套飽和吸收鎖頻激光系統來獲取再泵浦激光。這種方式的缺點是一套鎖頻系統需要很多的光學元件以及鎖相放大器、商業激光器等，代價昂貴；因為一套鎖頻系統比較復雜，涉及到光路、電路、鎖相放大器等，穩定性難以保證，需要很好的維護才能工作。
發明內容
因此，本發明的目的在于克服上述現有技術代價昂貴、難于維護的缺陷，提供一種再泵浦激光設備及其獲得再泵浦激光的方法。根據本發明的獲得再泵浦激光的方法，包括1)提供由直流電流控制的半導體激光器；2)在該半導體激光器的直流成份上耦合進微波；3)提供鎖頻激光系統，其輸出的激光的頻率為fmain，將該頻率為fmain的激光注入到上述半導體激光器中；4)調節半導體激光器的電流，使鎖頻激光系統的頻率注入到半導體激光器的-1 級光上并鎖定-1級；5)使用半導體激光器發出的+1級光作為再泵浦光。根據本發明的獲得再泵浦激光的方法，其中頻率擇為適合作為用于銣87原子冷卻的激光的頻率，耦合進的微波的頻率為3. 4G。根據本發明的獲得再泵浦激光的方法，其中該方法還包括在上述步驟4)中，利用FP腔和示波器來判斷是否進入注入鎖定狀態。
根據本發明的獲得再泵浦激光的方法，其中該方法還包括使鎖頻激光系統發出的激光與半導體激光器發出的激光平行性一致及橫模匹配。根據本發明的獲得再泵浦激光的方法，其中該方法還包括通過控制鎖頻激光系統的注入功率來控制鎖頻激光系統發出的激光與半導體激光器發出的激光的功率比值，通過控制半導體激光器的電流來調節半導體激光器的頻率。根據本發明的再泵浦激光設備，包括帶有微波耦合模塊和直流電流控制器的半導體激光器；微波發生器，被耦合到微波耦合模塊；鎖頻激光系統，其輸出的激光被注入到半導體激光器中。根據本發明的再泵浦激光設備，還包括FP腔和示波器，用于判斷是否進入注入鎖定狀態。根據本發明的再泵浦激光設備，其中鎖頻激光系統可以是飽和吸收鎖頻激光系統。微波發生器可為射頻源等。本發明提供的再泵浦激光設備成本低廉，易于維護，系統簡單，只需要通過調節從激光器的電流即可維護鎖定狀態，且鎖定后可以保證三個小時以上的連續實驗(應用)。
以下參照附圖對本發明實施例作進一步說明，其中
圖1.銣87的原子能級。
圖2.飽和吸收鎖頻激光系統的結構示意圖。
圖3.帶有邊帶的輸出激光頻譜示意圖。
圖4.注入鎖定的示意圖。
圖5.邊帶注入鎖定流程示意圖。
圖6.邊帶注入鎖定后的激光頻譜示意圖。
圖7.示波器上顯示的未注入鎖定狀態(a)和注入鎖定狀態(b)。
具體實施例方式普通半導體激光器由直流電流源驅動，出射未鎖模的差縱模激光。這種激光的特點是線寬較寬，頻率隨溫度、電流等漂移。如果在直流電流控制器上并入交流信號源(例如射頻源，頻率為fsb)，該交流信號成份會使激光器輸出帶有邊帶的激光，這種激光擁有多個頻率成份(如圖3所示) (定義為0級光，f0為當不加微波時，僅由直流電流控制的激光器輸出的激光頻率)、L+f^(定義為+1級光)、fQ-fsb(定義為-1級光)、f。+2Xfsb(定義為+2級光)、fQ-2Xfsb(定義為-2 級光)等成份，而且各個頻率成份的功率不一樣，0級光功率最強，其次是+1級與-1級，再次是+2級與-2級，交流信號源功率不一樣，各頻率成份功率不一樣，對于一個2W的頻率為 3. 4GHz微波，0級約占總功率的50%，士 1級約各占20%，士2級約各占5%。這種帶有邊帶的激光的特點是線寬較寬，fo的大小隨溫度、電流等漂移，有多級輸出激光。因為fo的大小隨溫度、電流等漂移，因此需要對該激光器做注入鎖定，以穩定L的大小。其中激光注入鎖定技術是已有的現有技術，指的是用一束單縱模(指單頻)的激光(以下稱為主激光，也叫種子光)注入到另一個激光器(以下稱為從激光)的激光腔內， 當滿足以下條件時1.主從激光的頻率差(fdrtlJ在一定的范圍(frange)內；2.主從激光的功率比值滿足在一定的大小，通常主激光功率要求在mW量級；3.主從激光平行性一致及橫模匹配；從激光的縱模會突然變為跟主激光一樣(如圖4所示)，如果用FP腔來同時看它們的頻譜，會發現從激光的縱模會突然吸到主激光的縱模上。通過調節從激光器的電流可滿足上述條件1 ；通過控制主激光的注入功率可以滿足上述條件2 ；通過調節光路可以滿足上述條件3。鎖定后的出射激光線寬很窄，與主激光一致，溫度、電流等在一定范圍內變化時頻率不再隨之漂移。因此注入鎖定可將一個鎖模的好縱模激光注入一個由直流電流源驅動的差縱模的激光器，從而讓差縱模的激光變成好縱模的激光輸出。如圖5所示，如果在差縱模激光器的直流電流源上再耦合交流信號源(例如射頻源)，那么通過利用鎖模的好縱模激光注入鎖定差縱模激光器，就會在輸出的模式中獲得一系列的帶有邊帶的好縱模激光(如圖6所示)，這就是邊帶注入鎖定。銣87原子冷卻實驗(應用)中都必須用到線寬非常窄(如IMHz以下)的鎖頻激光系統(例如飽和吸收鎖頻激光系統)，主要用于獲取冷卻激光，它的激光頻率為fmain(fmain 是冷卻激光的頻率)，將這束激光(即主激光)以一定功率大小入射到上述的由直流電流源和交流信號源(頻率為fsb)共同驅動的半導體激光器(即從激光器)中，通過調節從激光器的電流，來調節主從激光的頻率差，從而讓主激光(頻率為fmain)注入鎖定從激光器的-ι 級光(如圖6所示)，此時從激光器的輸出光就為fmain+fsb(0級光)、fmain+2Xfsb(+l級光)、 fmain(_l級光)，功率很低的士2級可忽略。注入鎖定后從激光器的+1級光為確定的頻率 (頻率為fmain+2 X fsb)，不再隨溫度的漂移而漂移，也不再隨電流的微小變化而變化，本發明利用該頻率為fmain+2Xfsb的+1級光作為再泵浦激光。該再泵浦激光的頻率(fmain+2Xfsb)比冷卻激光的頻率(fmain)大2Xfsb，當2Xfsb 為6. 8GHz時，即可滿足上述的銣87原子冷卻實驗要求，即要求fsb (耦合的交流信號源的頻率)為 3. 4GHz。因此，本發明提供了一種獲得再泵浦激光的方法，該方法包括使鎖頻后的激光注入到一個從激光器(帶有微波耦合模塊的半導體激光器)中，采用-ι級邊帶注入鎖定的方式來鎖定從激光，用輸出光的+1級光作為再泵浦激光。根據本發明的一個實施例，提供了一種獲取再泵浦激光的方法，該方法包括1)提供帶有微波耦合模塊和直流電流控制器的半導體激光器(作為從激光器，所發出的激光為從激光)，該激光器僅由直流電流控制時，輸出的激光頻率為fo ；2)利用微波耦合模塊在該半導體激光器的直流電流控制器的直流成份上耦合進頻率為fsb的微波，該微波成份會使激光器的輸出激光擁有多個頻率成份級光)、 f0+fsb (+1 級光)、f0-fsb (-1 級光)、f0+2 X fsb (+2 級光)、f0-2 X fsb (-2 級光)等成份；3)提供鎖頻激光系統(作為主激光器，所發出的激光為主激光)，其輸出的激光的頻率為fmain，將該頻率為fmain的激光注入到上述半導體激光器中；4)調節半導體激光器的控制電流，使鎖頻激光系統的頻率注入到半導體激光器的-ι級光上并鎖定-ι級；5)使用半導體激光器發出的+1級光(頻率為fmain+2Xfsb)作為再泵浦光。其中步驟4)中，可利用FP腔(法布里-珀羅諧振腔)來判斷是否進入注入鎖定狀態。FP腔是一種由兩塊平行的玻璃板組成的多光束干涉儀，其中兩塊玻璃板相對的內表面都具有高反射率。當入射光的頻率滿足其共振條件時，其透射頻譜會出現很高的峰值，對應著很高的透射率。因而實驗上可以用FP腔來觀察從激光器的光譜強度分布。因此步驟 4)中，把半導體激光器的出射光送入FP腔，FP腔的出射信號接到示波器上，如圖7所示，調節電流的同時觀察示波器，當觀察到有很高的尖峰時，表明半導體激光器發出的從激光已經鎖定，此時即可終止電流的調節。根據本發明的一個實施例提供的獲取再泵浦激光的方法，其中通過調節光路，使主從激光平行性一致及橫模匹配。根據本發明的一個實施例提供的獲取再泵浦激光的方法，其中通過控制主激光的注入功率，使主從激光的功率比值滿足在一定的大小，通常主激光的功率要求在mW量級。根據本發明的一個實施例提供的獲取再泵浦激光的方法，其中鎖頻激光系統可以是例如對外腔激光器或DFB激光器做飽和吸收穩頻的飽和吸收鎖頻激光系統。根據本發明的一個實施例提供的獲取再泵浦激光的方法，其中頻率擇為適合作為用于銣87原子冷卻的激光的頻率，4_還可以根據用途(如冷卻原子的不同)而選擇其他值。根據本發明的一個實施例，還提供了一種再泵浦激光設備，該設備包括1)帶有微波耦合模塊和直流電流控制器的半導體激光器(作為從激光器)，該激光器僅由直流電流控制時，輸出的激光頻率為fo ；2)微波發生器，例如射頻源等，所產生的微波的頻率為fsb，該微波成份會使激光器的輸出激光擁有多個頻率成份fo(0級光)、fdU+l級光)、fcrfsb(-l級光)、 f0+2X fsb (+2級光)、X fsb(-2級光)等成份，其中微波發生器被耦合到微波耦合模塊， 以在半導體激光器的直流電流控制器的直流成份上耦合進微波。3)鎖頻激光系統，其輸出的激光的頻率為fmain，該頻率為fmain的激光將被注入到上述半導體激光器中。根據本發明的一個實施例，再泵浦激光設備還包括FP腔(法布里-珀羅諧振腔)， 用于判斷是否進入注入鎖定狀態。根據本發明的一個實施例，半導體激光器由激光二極管、激光準直器、準直器座、 基座，半導體致冷片以及控制電源等構成。控制電源包括溫控器與電流源，通過溫控器可以控制激光管的溫度在設定的溫度上，控制精度可達0. OlK以下。通過電流源給激光管加上電流，使激光管穩定的輸出激光。輸出的激光通過準直器來變為平行光輸出。最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。盡管參照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種獲得再泵浦激光的方法，包括1)提供由直流電流控制的半導體激光器；2)在該半導體激光器的直流成份上耦合進微波；3)提供鎖頻激光系統，其輸出的激光的頻率為fmain，將該頻率為fmain的激光注入到上述半導體激光器中；4)調節半導體激光器的電流，使鎖頻激光系統的頻率注入到半導體激光器的-1級光上并鎖定-ι級；5)使用半導體激光器發出的+1級光作為再泵浦光。
2.根據權利要求1所述的方法，其中頻率乙_選擇為適合作為用于銣87原子冷卻的激光的頻率。
3.根據權利要求1所述的方法，其中上述耦合進的微波的頻率為3.4G。
4.根據權利要求1所述的方法，其中該方法還包括在上述步驟4)中，利用FP腔和示波器來判斷是否進入注入鎖定狀態。
5.根據權利要求1所述的方法，其中該方法還包括使鎖頻激光系統發出的激光與半導體激光器發出的激光平行性一致及橫模匹配。
6.根據權利要求1所述的方法，其中該方法還包括通過控制鎖頻激光系統的注入功率來控制鎖頻激光系統發出的激光與半導體激光器發出的激光的功率比值，通過控制半導體激光器的電流來調節半導體激光器的頻率。
7.一種再泵浦激光設備，包括帶有微波耦合模塊和直流電流控制器的半導體激光器； 微波發生器，被耦合到微波耦合模塊； 鎖頻激光系統，其輸出的激光被注入到半導體激光器中。
8.根據權利要求7所述的設備，還包括FP腔和示波器，用于判斷是否進入注入鎖定狀態。
9.根據權利要求7所述的設備，其中鎖頻激光系統是飽和吸收鎖頻激光系統。
10.根據權利要求7所述的設備，其中微波發生器為射頻源。
全文摘要
本發明提供一種獲得再泵浦激光的方法，包括提供由直流電流控制的半導體激光器；在該半導體激光器的直流成份上耦合進微波；提供鎖頻激光系統，其輸出的激光的頻率為fmain，將該頻率為fmain的激光注入到上述半導體激光器中；調節半導體激光器的控制電流，使鎖頻激光系統的頻率注入到半導體激光器的-1級光上并鎖定-1級；使用半導體激光器發出的+1級光作為再泵浦光。本發明還提供了一種再泵浦激光設備。
文檔編號H01S3/094GK102163791SQ20111006954
公開日2011年8月24日 申請日期2011年3月22日 優先權日2011年3月22日
發明者曹強, 王如泉, 羅鑫宇 申請人:中國科學院物理研究所