[发明专利]基于四能级量子系统的主动激光频率标准

说明书

技术领域

本发明属于激光技术领域和时间频率标准技术领域，涉及四能级量子系统激光技术，特别涉及一种基于四能级量子系统的主动激光频率标准的产生装置和方法，可以输出线宽远比原子谱的自然线宽小的激光。

背景技术

采用原子频率标准进行测量是所有科学测量方法中精度最高的一种，它有着十分广泛的科学研究和实际应用价值。利用原子频率标准的高准确度，可以测量原子、分子的基本参数，测量宇宙学和天文学的相关物理量，可以在更高精度测量的实验平台上发现和认知新的物理现象。在应用方面，原子频率标准钟可用在精密原子谱、授时、全球导航定位等领域。

传统的激光频率标准，由于输出激光频率是通过鉴频或鉴相技术被动式地锁定在一种量子体系的量子跃迁线上，因此都属于被动式的。被动式的激光频率标准，用来鉴频的激光光源的频率线宽目前最好的在1Hz左右，这限制了在光频率领域上实现更高分辨率的能力。主动式的激光频率标准，在原理上可以输出线宽远比原子谱的自然线宽小的激光，突破目前激光频率标准的一些限制(如对本振激光线宽的依赖)，并可实现激光频率标准的小型化。依据主动激光频率标准的机理，激光器输出的激光可以直接用做激光频率标准，提供高稳定度高准确度的光频频率标准，还可利用其远小于原子谱自然线宽的高准确谱进行超高精密激光光谱测量。

目前主动激光频率标准实验方案大致可分为两类，一是囚禁的量子系统，二是束流量子系统。对于束流型的主动激光频率标准，由于剩余多普勒频移，限制了激光频率标准的准确度。基于囚禁的量子系统的主动激光频率标准，腔内泵浦可以提高输出激光功率，并可望消除多普勒效应；但是仍然存在一些问题，主要是囚禁光场的光频移和泵浦光场的光频移。对于囚禁光场的光频移，利用光晶格囚禁冷原子的方法，可通过特殊波长激光来消除；而泵浦光场的光频移，只可采用四能级量子系统来消除。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种基于四能级量子系统的主动激光频率标准的产生装置和方法，能够有效避免泵浦光场带来的光频移，输出的激光具有非常好的频率稳定性和准确性。

本发明的基于四能级量子系统的主动激光频率标准的产生装置，其包括：

一法珀腔，其入射端的腔镜镀有泵浦激光增透膜和输出激光反射膜，其输出端的腔镜镀有泵浦激光全反膜和输出激光反射膜；

一充有增益介质的封闭室，位于所述法珀腔中，所述增益介质为四能级量子系统的原子气体，其增益线宽小于激光谐振腔腔模线宽的二分之一；

一激光器，用于产生泵浦激光，将所述原子气体从基态能级激发至第四能级。

本发明的基于四能级量子系统的主动激光频率标准的产生方法，适用于上述装置，其步骤包括：

1)在一法珀腔内设一充有增益介质的封闭室，该增益介质为四能级量子系统的原子气体，其增益线宽小于激光谐振腔腔模线宽的二分之一；

2)在所述法珀腔一端射入泵浦激光，将所述原子气体从基态能级激发至第四能级；

3)所述第四能级上的原子通过自发辐射向低能级跃迁，在第三能级和第二能级实现原子布居数反转；

4)所述第三能级上的原子自发辐射跃迁至所述第二能级，在所述法珀腔的反馈作用下产生受激辐射，并从所述法珀腔另一端输出激光。

与通常的激光相比，本发明的基于四能级量子系统的主动激光频率标准其主要特点是：

1)激光增益介质的增益线宽远小于激光谐振腔的腔模线宽，即学术上所说的坏腔结构，可极大地降低腔模的频移效应，即降低了宏观腔长变化对输出频率的影响，仅保留腔模的弱反馈功能；

2)激光增益介质的增益谱线是被建议用于激光频率标准的跃迁谱线，即增益线宽远小于腔模线宽，使得输出激光频率基本决定于原子跃迁，所以具有量子标准的特性；

3)利用了四能级的量子系统，泵浦激光对应着四个能级中的能量最低和最高两个量子能级，受激发射的激光频率标准跃迁对应着能量居中的两个能级，避免了泵浦激光两个能级与激光频率标准跃迁两个能级的重叠，进而避免了泵浦激光引起的光频移；

4)激光谐振腔的腔模线宽大于原子的激光频率标准受激跃迁能级的自然线宽与渡越增宽，使得输出超窄线宽激光的中心频率工作在原子跃迁频率决定的数值上，极大地降低了谐振腔本身长度变化带来的噪声。