[发明专利]一种基于法拉第主动光钟的暗腔激光器及其实现方法

说明书

本发明公开了一种基于法拉第主动光钟的暗腔激光器及其实现方法。本暗腔激光器包括激光二极管、法拉第原子滤光器和谐振腔；其中，所述激光二极管，用于产生泵浦光并输出至所述法拉第原子滤光器；所述法拉第原子滤光器位于所述谐振腔内，用于从激光二极管产生的光中筛选出目标频率的光；所述谐振腔包括一对谐振腔腔镜以及用于调节谐振腔腔长的压电陶瓷；通过所述压电陶瓷调节腔长，使所述激光二极管与所述法拉第原子滤光器构成的法拉第主动光钟满足暗腔激光的条件并使之工作在坏腔区域。本发明将法拉第原子滤光器、主动光钟、暗腔激光三者结合，得到暗腔激光器，从而更易于实现具有超窄线宽激光的输出，是实现窄线宽激光参考源的一种新途径。

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种基于法拉第主动光钟的暗腔激光器及其实现方法。

背景技术

原子钟是目前已知的最准确的时间频率产生装置，在卫星导航定位、时间同步、宇宙探测、精密测量等方面有着重要的地位。目前性能最好的原子钟是光频原子钟(光钟)，光钟以光频跃迁作为参考谱线。由Allan方差公式可知，频率越高，稳定度越高。光波的频率高于微波的频率，因此利用光频标可以实现更优越的原子钟(光钟)。光钟在稳定度和准确度方面具有非常显著的优势，但目前的光钟大都是被动光钟，主要是通过压窄钟跃迁谱线线宽来提高稳定度。

为了抑制腔长噪声，提出了主动光钟的概念，利用原子之间弱耦合协作受激行为，可以将量子参考系统受激辐射直接作为钟跃迁信号，从而打破谐振腔布朗热噪声对本振激光线宽的限制，激光线宽小于被动光钟激光线宽。而且，激光的中心频率决定于量子跃迁频率而非腔模中心频率，对腔牵引效应免疫，减小了腔热噪声对激光输出频率的影响。主动光钟可以工作在腔模线宽小于增益线宽的好腔区域，也可以工作在腔模线宽大于增益线宽的坏腔区域。当主动光钟工作在坏腔时，可以压制腔牵引效应。

法拉第原子滤光器利用原子蒸汽的共振法拉第效应筛选出特定频率的光信号。利用原子滤光器作为选频器件，可以形成法拉第主动光钟。在这种方案中，法拉第原子滤光器可以提供窄带宽的量子频率参考。已有实验验证，法拉第主动光钟具有较窄的线宽和较好的频率稳定性，工作在坏腔区域的法拉第主动光钟还可以显著降低振动对频率稳定性的影响，抑制了腔牵引效应。

目前，输出的光频标依然工作在谐振腔腔模共振区附近，而没有谐振腔腔模完全非共振区的输出。谐振腔非共振区的腔反馈较低，称之为“暗腔”。一般地，谐振腔的腔长等于半波长的整数倍，但是完全非共振时原子的跃迁频率位于两个相邻腔模的中心频率处，腔长等于四分之一波长的奇数倍。此时谐振腔两个腔镜的反射光场基本反相，导致腔内的光场被极大削弱。但是暗腔激光也有线宽，甚至线宽更窄。暗腔激光也可以工作在好腔区域或坏腔区域。在坏腔区域，腔模抖动对激光输出频率的影响被抑制，从而使得腔牵引效应降低。由此可见，工作在坏腔区域的暗腔激光的输出频率对外界环境的影响具有免疫作用，从而更易于实现超窄线宽。

目前光钟中最常用的用来压窄线宽的技术是Pound-Drever-Hall(PDH)技术，它通过将激光的频率锁定在超稳谐振腔腔模上来减小激光频率噪声，从而压窄激光输出线宽。但实现这一技术的条件很苛刻，需要超高精细度光学谐振腔并对其进行低温冷却，这是很难做到的。

发明内容

针对以上所提及的问题，本发明的目的在于提供一种基于法拉第主动光钟的暗腔激光器及其实现方法，本发明通过调节腔长使法拉第主动光钟满足暗腔激光的条件并使之工作在坏腔区域，将法拉第原子滤光器、主动光钟、暗腔激光三者结合，得到暗腔激光器，从而更易于实现具有超窄线宽激光的输出，是实现窄线宽激光参考源的一种新途径。

本发明的暗腔激光器包括：激光二极管、法拉第原子滤光器和谐振腔；

所述激光二极管用于产生泵浦光，并输出至所述法拉第原子滤光器；

所述法拉第原子滤光器包括原子蒸汽室和均匀磁场；所述法拉第原子滤光器用于通过法拉第旋光效应从激光二极管产生的光中筛选出目标频率的光并在谐振腔内来回反射形成光反馈，谐振腔出光镜可以透射一部分光，即输出激光；