碱金属气体无极灯泵浦输出碱金属气体激光的方法和激光器

摘要

本发明公开了一种碱金属气体无极灯泵浦输出碱金属气体激光的方法和激光器。方法包括：采用碱金属气体无极灯产生在第一激发态到基态之间跃迁谱线所发泵浦光泵浦汽室中的碱金属气体原子，以使汽室中的碱金属气体原子跃迁到第一激发态，其中，碱金属气体无极灯中所充碱金属气体与汽室中的碱金属气体种类相同；通过汽室中混合的其他气体原子和/或气体分子与汽室中的碱金属气体原子的碰撞作用，汽室中的碱金属气体原子从第一激发态迁移至与第一激发态相近的第二激发态，形成第二激发态与基态之间的布局数反转；在汽室所处的谐振腔的反馈作用下，输出第二激发态到基态之间跃迁谱线对应频率的碱金属气体激光。

说明书

技术领域

本发明涉及碱金属气体激光技术，特别涉及一种碱金属气体无极灯泵浦输出碱金属气体激光的方法和激光器，属于激光技术领域。

背景技术

利用碱金属气体原子输出碱金属气体激光，能够作为高相干性的气体激光光源。图1为现有碱金属气体原子能级示意图，如图1所示，在碱金属原子态表示中，主量子数n＝2(锂)，3(钠)，4(钾)，5(铷)或6(铯)；其中具有一条D₁(激发态np ²P_1/2到基态ns ²S_1/2之间跃迁)谱线，一条D₂(激发态np ²P_3/2到基态ns ²S_1/2之间跃迁)谱线。

现有技术中，输出碱金属气体激光的方式主要有以下两种。

一种是，利用氦气无极灯泵浦技术实现碱金属铯气体原子在高激发态能级之间的激光输出，但却不能实现各种碱金属气体原子在激发态np ²P_1/2，3/2或激发态(n+1)p ²P_1/2，3/2到基态ns ²S_1/2之间跃迁谱线上的气体激光输出。在这里，无极灯由高频发生器、耦合器和灯泡三部分组成；它是通过高频发生器的电磁场以感应的方式耦合到灯内，使灯泡内的气体雪崩电离，形成等离子体，等离子受激原子返回基态时辐射出各种与原子跃迁谱线对应的光。

另一种是，利用染料激光泵浦、钛宝石激光泵浦或半导体激光泵浦技术实现碱金属气体原子在D₁谱线上的激光输出，但是，其泵浦光源频率存在长期不稳定性的缺陷。

发明内容

本发明为了实现采用稳定的泵浦光源泵浦输出所需波长的碱金属气体激光的目的，提供了一种碱金属气体无极灯泵浦输出碱金属气体激光的方法和激光器，以利用碱金属气体无极灯作为泵浦光源来实现碱金属气体原子在激发态np ²P_1/2，3/2或激发态(n+1)p ²P_1/2，3/2到基态ns ²S_1/2之间跃迁谱线上的气体激光输出。

为实现上述目的，本发明提供了一种碱金属气体无极灯泵浦输出碱金属气体激光的方法，包括：

采用碱金属气体无极灯产生在第一激发态到基态之间跃迁谱线所发泵浦光泵浦汽室中的碱金属气体原子，以使所述汽室中的所述碱金属气体原子跃迁到所述第一激发态，其中，所述碱金属气体无极灯中所充碱金属气体与所述汽室中的碱金属气体种类相同；

通过所述汽室中混合的其他气体原子和/或气体分子与所述汽室中的所述碱金属气体原子的碰撞作用，所述汽室中的所述碱金属气体原子从所述第一激发态迁移至与所述第一激发态相近的第二激发态，形成所述第二激发态与基态之间的布局数反转；

在所述汽室所处的谐振腔的反馈作用下，输出所述第二激发态到所述基态之间跃迁谱线对应频率的碱金属气体激光。

为实现上述目的，本发明还提供了一种碱金属气体无极灯泵浦输出碱金属气体激光的激光器，包括：

带压电陶瓷的谐振腔，所述谐振腔靠近所述压电陶瓷的一侧设置有高反镜，所述谐振腔的另一端设置有耦合透镜；

与所述谐振腔的轴线方向垂直并依次设置有内充碱金属气体的碱金属气体无极灯、滤光片以及聚焦透镜，用于产生在第一激发态到基态之间跃迁谱线所发泵浦光；

设置于所述谐振腔内的汽室，所述汽室内充有与所述碱金属气体无极灯内的所述碱金属气体相同的碱金属气体，并混合有用于与所述汽室内的所述碱金属气体原子碰撞的其他气体原子和/或气体分子；

设置于所述耦合透镜和所述汽室之间的偏振分束器，且所述偏振分束器与所述碱金属气体无极灯、所述滤光片以及所述聚焦透镜位于一条直线上，用于将所述泵浦光耦合进所述汽室，并透过所述汽室输出的碱金属气体激光；

其中，所述泵浦光泵浦所述汽室中的所述碱金属气体原子，所述汽室中的所述碱金属气体原子跃迁到所述第一激发态；通过所述其他气体原子和/或气体分子与所述汽室中的所述碱金属气体原子的碰撞作用，所述汽室中的所述碱金属气体原子从所述第一激发态迁移至第二激发态，形成所述第二激发态与基态之间的布局数反转；在所述谐振腔的反馈作用下，输出所述第二激发态到基态之间跃迁谱线对应频率的所述碱金属气体激光。

为实现上述目的，本发明还提供了一种碱金属气体无极灯泵浦输出碱金属气体激光的激光器，包括：

带压电陶瓷的谐振腔，所述谐振腔靠近所述压电陶瓷的一侧设置有耦合透镜，所述谐振腔的另一端设置有激光高反泵浦光透射镜；

依次设置于所述谐振腔内的所述激光高反泵浦光透射镜一侧外的内充碱金属气体的碱金属气体无极灯、滤光片以及聚焦透镜，用于产生在第一激发态到基态之间跃迁谱线所发泵浦光，其中所述聚焦透镜设置于近所述激光高反泵浦光透射镜一端；

设置于所述谐振腔内的汽室，所述汽室内充有与所述碱金属气体无极灯内的所述碱金属气体相同的碱金属气体，并混合有用于与所述汽室内的所述碱金属气体原子碰撞的其他气体原子和/或气体分子；

其中，所述泵浦光泵浦所述汽室中的所述碱金属气体原子，所述汽室中的所述碱金属气体原子跃迁到所述第一激发态；通过所述其他气体原子和/或气体分子与所述汽室中的所述碱金属气体原子的碰撞作用，所述汽室中的所述碱金属气体原子从所述第一激发态迁移至第二激发态，形成所述第二激发态与基态之间的布局数反转；在所述谐振腔的反馈作用下，输出所述第二激发态到所述基态之间跃迁谱线对应频率的所述激光。

由上述技术方案可知，本发明的碱金属气体无极灯泵浦输出碱金属气体激光的方法和激光器，由于采用碱金属气体无极灯作为泵浦光源，对碱金属气体无极灯发射的光源作必要的滤光即可满足不同波长的泵浦需求，确保了泵浦光源的频率稳定性和泵浦效率，无需对泵浦光源的波长或频率进行稳频控制，因此泵浦光源能够长期连续工作，且增加了输出激光的频率的稳定性和使用寿命。另外，由于汽室中是与碱金属气体无极灯中的碱金属气体同一种类的碱金属气体原子，所以输出激光的波长或频率就在碱金属气体原子的谱线上。

附图说明

图1为现有碱金属气体原子能级示意图；

图2为本发明碱金属气体无极灯泵浦输出碱金属气体激光的方法实施例的流程示意图；

图3为本发明碱金属气体无极灯泵浦输出碱金属气体激光的激光器第一实施例的结构示意图；

图4为本发明碱金属气体无极灯泵浦输出碱金属气体激光的激光器第二实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图2为本发明碱金属气体无极灯泵浦输出碱金属气体激光的方法实施例的流程示意图。如图2所示，包括如下步骤：

步骤201、采用碱金属气体无极灯产生在第一激发态到基态之间跃迁谱线所发泵浦光泵浦汽室中的碱金属气体原子，以使所述汽室中的所述碱金属气体原子跃迁到所述第一激发态。

其中，所述碱金属气体无极灯中所充碱金属气体与所述汽室中的碱金属气体种类相同；例如：用铯无极灯泵浦铯气体原子，或用铷无极灯泵浦铷气体原子。结合图1所示，采用碱金属气体无极灯产生在激发态np ²P_3/2到基态ns ²S_1/2之间跃迁谱线所发泵浦光将碱金属气体原子激发到激发态np ²P_3/2；或者采用碱金属气体无极灯产生在激发态np ²P_1/2到基态ns ²S_1/2之间跃迁谱线所发泵浦光将碱金属气体原子激发到激发态np ²P_1/2；或者采用碱金属气体无极灯产生在激发态(n+1)p ²P_3/2到基态ns ²S_1/2之间跃迁谱线所发泵浦光将碱金属气体原子激发到激发态(n+1)p ²P_3/2；或者采用碱金属气体无极灯产生在激发态(n+1)p ²P_1/2到基态ns ²S_1/2之间跃迁谱线所发泵浦光将碱金属气体原子激发到激发态(n+1)p ²P_1/2。

步骤202、通过所述汽室中混合的其他气体原子和/或气体分子与所述汽室中的所述碱金属气体原子的碰撞作用，所述汽室中的所述碱金属气体原子从所述第一激发态迁移至与所述第一激发态相近的第二激发态，形成所述第二激发态与基态之间的布局数反转。

其中，结合图1所示，汽室中的所述碱金属气体原子从所述第一激发态迁移至与所述第一激发态相近的第二激发态，形成所述第二激发态与基态之间的布局数反转具体可以是：激发态np ²P_3/2的碱金属气体原子转移到激发态np ²P_1/2，从而形成激发态np ²P_1/2与基态ns ²S_1/2之间的布局数反转；或者激发态np ²P_1/2的碱金属气体原子转移到激发态np ²P_3/2，从而形成激发态np ²P_3/2与基态ns ²S_1/2之间的布局数反转；或者激发态(n+1)p ²P_3/2的碱金属气体原子转移到激发态(n+1)p ²P_1/2，从而形成激发态(n+1)p ²P_1/2与基态ns ²S_1/2之间的布局数反转；或者激发态(n+1)p ²P_1/2的碱金属气体原子转移到激发态(n+1)p ²P_3/2，从而形成激发态(n+1)p ²P_3/2与基态ns ²S_1/2之间的布局数反转。

另外，本发明实施例中，对于步骤202中为了形成激发态np ²P_3/2与基态ns ²S_1/2之间的布局数反转，或形成激发态(n+1)p ²P_3/2与基态ns ²S_1/2之间的布局数反转，需要调节所采用碱金属气体无极灯产生在激发态np ²P_1/2或(n+1)p ²P_1/2到基态ns ²S_1/2之间跃迁谱线所发泵浦光中的各不同成分谱线强度。对于铯原子，可以将铯气体无极灯中的基态6s ²S_1/2的原子总角动量F＝3或F＝4对应谱线成分的光滤除。对于原子量为87的铷原子，可以将铯气体无极灯中的基态5s ²S_1/2的F＝1或F＝2对应谱线成分的光滤除。

步骤203、在所述汽室所处的谐振腔的反馈作用下，输出所述第二激发态到所述基态之间跃迁谱线对应频率的碱金属气体激光。

其中，结合图1所示，频率分别对应激发态np ²P_1/2到基态ns ²S_1/2之间跃迁谱线、或激发态np ²P_3/2到基态ns ²S_1/2之间跃迁谱线、或激发态(n+1)p²P_1/2到基态ns ²S_1/2之间跃迁谱线、或激发态(n+1)p ²P_3/2到基态ns ²S_1/2之间跃迁谱线。

在本发明实施例中，汽室中的碱金属气体原子和混合的其他气体原子和/或气体分子统称为增益介质，下文中有类似描述将不再具体声明。

本实施例提供的泵浦激光方法，由于采用碱金属气体无极灯作为泵浦光源，对碱金属气体无极灯发射的光源作必要的滤光即可满足为了达到所述的布居数反转要求的一种或几种不同波长的泵浦需求，确保了泵浦光源的频率稳定性和泵浦效率，无需对泵浦光源的波长或频率进行稳频控制，因此泵浦光源能够长期连续工作，且增加了输出激光的频率的稳定性和使用寿命。另外，由于汽室中是与碱金属气体无极灯中的碱金属气体同一种类的碱金属气体原子，所以输出激光的波长或频率就在碱金属气体原子的谱线上，其输出的激光为在原子钟、原子磁计、原子干涉仪方面的同种碱金属的光抽运以及光检测提供了稳定的工具。

在上述实施例中，还可以通过控制激光器的谐振腔的Q值，使腔模线宽小于或大于激光增益线宽，从而调节输出激光的线宽；还可以控制激光器的谐振腔的长度，以调节输出激光的输出频率。另外，由于增益介质是气体，气体的原子之间的相互作用较小，且激光器的谐振腔较长，输出激光的线宽将明显窄于普通的半导体激光器输出的激光的线宽。

需要说明的是，在本发明实施例中所称的“第一激发态”和“与第一激发态相近的第二激发态”，是为了描述方便对两个相邻近的激发态的命名上的区分。即在本发明实施例中，如果第一激发态是(n+1)p ²P_1/2，那么第二激发态即为(n+1)p ²P_3/2；如果第一激发态是np ²P_3/2，那么第二激发态即为np ²P_1/2。

图3为本发明碱金属气体无极灯泵浦输出碱金属气体激光的激光器第一实施例的结构示意图。如图3所示，该泵浦激光器包括：带压电陶瓷8的谐振腔，该谐振腔靠近压电陶瓷8的一侧设置有高反镜6，该谐振腔的另一端设置有耦合透镜7；与谐振腔的轴线方向垂直并依次设置有内充碱金属气体的碱金属气体无极灯2、滤光片3以及聚焦透镜4，碱金属气体无极灯2、滤光片3以及聚焦透镜4结合用于产生在第一激发态到基态之间跃迁谱线所发泵浦光；设置于谐振腔内的汽室1，该汽室1内充有与碱金属气体无极灯2内的碱金属气体相同的碱金属气体，并混合有用于与汽室1内的碱金属气体原子碰撞的其他气体原子和/或气体分子；设置于耦合透镜7和汽室1之间的偏振分束器5，且该偏振分束器5与碱金属气体无极灯2、滤光片3以及聚焦透镜4位于一条直线上，用于将泵浦光耦合进汽室1，并透过汽室1输出的激光。其中，利用碱金属气体无极灯2的灯光通过滤光片3的滤光，以及聚焦透镜4的聚焦后的泵浦光对汽室1中的碱金属气体原子进行泵浦，汽室1中的碱金属气体原子跃迁到第一激发态；通过其他气体原子和/或气体分子与汽室1中的碱金属气体原子的碰撞作用，汽室1中的碱金属气体原子从第一激发态迁移至第二激发态，形成第二激发态与基态之间的布局数反转；在谐振腔的反馈作用下，谐振腔输出第二激发态到基态之间跃迁谱线对应频率的碱金属气体激光。

其中，压电陶瓷8可以用来调节激光器的谐振腔的腔长；汽室1带有温度控制，以控制其中气体的密度；汽室1的两个玻璃端面可以镀上增透膜来减低对泵浦光和激光的损耗。

图4为本发明碱金属气体无极灯泵浦输出碱金属气体激光的激光器第二实施例的结构示意图。如图4所示，该泵浦激光器包括：带压电陶瓷8的谐振腔，谐振腔靠近压电陶瓷8的一侧设置有耦合透镜7，谐振腔的另一端设置有激光高反泵浦光透射镜61；依次设置于谐振腔的激光高反泵浦光透射镜61一侧外的内充碱金属气体的碱金属气体无极灯2、滤光片3以及聚焦透镜4，用于产生在第一激发态到基态之间跃迁谱线所发泵浦光，其中聚焦透镜4设置于近激光高反泵浦光透射镜61一端；设置于谐振腔内的汽室1，汽室1内充有与碱金属气体无极灯2内的碱金属气体相同的碱金属气体，并混合有用于与汽室1内的碱金属气体原子碰撞的其他气体原子和/或气体分子。其中，利用碱金属气体无极灯2的灯光通过滤光片3的滤光，以及聚焦透镜4的聚焦后的泵浦光经过激光高反泵浦光透射镜61对汽室1中的碱金属气体原子进行泵浦，汽室1中的碱金属气体原子跃迁到第一激发态；通过其他气体原子和/或气体分子与汽室1中的碱金属气体原子的碰撞作用，汽室1中的碱金属气体原子从第一激发态迁移至第二激发态，形成第二激发态与基态之间的布局数反转；在谐振腔的反馈作用下，谐振腔输出第二激发态到基态之间跃迁谱线对应频率的激光。

其中，压电陶瓷8可以用来调节激光器的谐振腔的腔长；汽室1带有温度控制，以控制其中气体的密度；汽室1的两个玻璃端面可以镀上增透膜来减低对泵浦光和激光的损耗。

结合上述的方法和装置实施例，本发明的另一实施例中，具体以铷原子(主量子数n＝5)举例说明在铷原子的D₂谱线上泵浦D₁谱线输出气体激光的工作原理。汽室1中充有铷原子蒸汽，汽室1的两个玻璃端面可以镀上增透膜来减低对泵浦光和激光的损耗。铷原子蒸汽的汽室1放置在激光器的谐振腔内，并利用充有铷原子气体的碱金属气体无极灯2滤光后的780nm波长处的D₂谱线灯光经聚焦透镜4进入汽室1作为泵浦光源。铷原子蒸汽被激发到D₂谱线的激发态，即5p ²P_3/2态后，通过汽室1中混杂的乙烷和氦气的作用，这些被激发到D2谱线的激发态的原子转移到第二个激发态，也就是D₁谱线的激发态，即5p ²P_1/2态，从而形成D₁谱线的激发态5p ²p_1/2与基态5s ²S_1/2之间的布局数反转。在激光器的谐振腔的反馈作用下，形成794.7nm波长附近的D₁谱线的激光输出。

其中，调节碱金属气体无极灯2的驱动电源来调节泵浦光功率；调节碱金属气体原子的汽室1温度来调节碱金属气体原子的密度，从而增加布局数反转；调节与碱金属气体原子混合的乙烷和氦气的气压，来调节碱金属气体原子在两个激发态之间迁移的速度；通过调节压电陶瓷8来调节谐振腔的腔长，从而调节激光输出的频率；调节激光器的谐振腔的耦合透镜7的透射率来调节输出激光的功率；在需要线偏振激光输出时，如图3所示，偏振分束器5除了起到耦合泵浦光的作用之外，还应保证输出的激光是线偏振的。

与已有的利用氦气无极灯泵浦的碱金属气体只能够在一些高能级上实现激光相比，本发明所描述的激光还可以工作在D₁或D₂谱线上，而氦气无极灯泵浦的碱金属气体激光不能工作在D₁或D₂谱线上。与已有的利用染料激光、钛宝石激光泵浦或半导体激光泵浦的在D₁谱线上的碱金属气体激光相比，本发明的泵浦光源不同，本发明的泵浦光源由于频率长期稳定而不需要另外进行稳频操作。此外，已有的利用染料激光、钛宝石激光泵浦或半导体激光泵浦的在D₁谱线上的碱金属气体激光只能工作在碱金属原子的D₁谱线上，而本实施例中所述激光可以工作在碱金属原子的D₁谱线上或D₂谱线上。

结合上述的方法和装置实施例，本发明的另一实施例中，可以得到紫光，蓝光，绿光波长的激光输出。例如：用钠无极灯在激发态4p ²P_3/2到基态3s ²S_1/2之间跃迁谱线所发泵浦光来泵浦钠气体原子，实现激发态4p ²P_1/2到基态3s²S_1/2之间的布局数反转，并在汽室所处的谐振腔的反馈作用下，输出330.3nm波长的紫色激光；用铷无极灯在激发态6p ²P_3/2到基态5s ²S_1/2之间跃迁谱线所发泵浦光来泵浦铷气体原子，实现激发态6p ²P_1/2到基态5s ²S_1/2之间的布局数反转，并在汽室所处的谐振腔的反馈作用下，输出421.6nm波长的蓝色激光；用铯无极灯在激发态7p ²P_3/2到基态6s ²S_1/2之间跃迁谱线所发泵浦光来泵浦铯气体原子，实现激发态7p ²P_1/2到基态6s ²S_1/2之间的布局数反转，并在汽室所处的谐振腔的反馈作用下，输出459.3nm波长的绿色激光。

具体地，本发明实施例中的碱金属气体无极灯泵浦输出碱金属气体激光的激光器还可以实现微型化。例如：所用的碱金属气体原子的汽室1是微型化至中空的光纤充以碱金属气体而形成的，碱金属气体无极灯的灯泡也用中空的光纤充以碱金属气体形成，并且泵浦光至汽室的光路也可以用光纤组成，激光器的谐振腔也可以由光纤组成。特别指出，由于本发明是用碱金属气体无极灯作泵浦光源，又用碱金属气体作为增益介质，因此，本发明在此情形下与已有的所有其他光纤激光器在泵浦光源和增益介质上有本质的区别。

另外，本发明并不限于具体的一种碱金属气体原子，而适用于锂、钠、钾、铷、铯等碱金属原子气体。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。