用于氢原子1S-2S光谱研究的超窄线宽243nm半导体激光

近年来,随着激光稳频技术的发展,人们可以把972nm的外腔半导体激光器产生的激光进行放大和四倍频,并将它锁定到超稳定的光学法布里-珀罗腔上,从而可以获得Hz量级超窄线宽的243nm激光,使其成为研究氢原子1S-2S双光子跃迁的有力工具.文章主要介绍了超稳腔、四倍频243nm半导体激光器的研究进展及在氢原子1S-2S双光子跃迁精密光谱研究中的应用.     

利用钟跃迁谱线测量超稳光学参考腔的零温漂点

在87Sr光晶格钟实验系统中,通过将自由运转的698 nm激光频率锁定在由超低膨胀系数的玻璃材料构成的超稳光学参考腔上,从而获得短期频率稳定性较好的超稳窄线宽激光.超稳光学参考腔的腔长稳定性决定了最终激光频率的稳定度.为了降低腔长对温度的敏感性,使激光频率具有更好的稳定度和更小的频率漂移,利用锶原子光晶格钟的钟跃迁谱线,测量了698 nm超稳窄线宽激光系统中超稳光学参考腔的零温漂点.通过对钟跃迁谱线中心频率随温度的变化曲线进行二阶多项式拟合,得到698 nm超稳窄线宽激光系统的零温漂点为30.63℃.利用锶原子光晶格钟的闭环锁定,测得零温漂点处698 nm超稳窄线宽激光系统的线性频率漂移率为0.15 Hz/s,频率不稳定度为1.6×10^–15@3.744 s.     

用于互组跃迁谱测量的窄线宽激光系统

采用Pound-Drerer-Hall稳频技术将689 nm激光锁定在高精细度超稳极低膨胀系数材料腔上,实现用于探测锶原子互组跃迁谱的窄线宽激光.利用光腔衰荡光谱技术,测量了不同阶次多横模情况下腔的精细度,并在理论上分析了平凹型Fabry-Perot腔的损耗与多横模阶次的关系.考虑了光开关延时及探测器响应时间在测量中的影响,对腔衰荡时间的实验测量值进行了修正.利用光纤飞秒光频梳测量了激光器的频率漂移,测出窄线宽激光频率稳定度的秒稳优于2.8×10-13.利用窄线宽激光在锶原子束上观测到具有高信噪比的窄线宽原子跃迁谱线,实验测得谱线的线宽为55 kHz,该窄线宽原子谱线可应用于锶原子二级冷却激光绝对频率的精确测量及锶原子互组跃迁谱的四种同位素位移测量.     

瓦级319 nm单频连续紫外激光的实现及铯原子单光子Rydberg激发

结合光纤激光器、光纤放大器和非线性光学高效频率转换技术及准位相匹配材料,服务于原子物理领域铯原子单光子跃迁里德堡激发的实际需求,研究并掌握了产生318. 6 nm波长连续单频紫外激光的关键技术。采用1 560. 5 nm与1 076. 9 nm连续激光先通过单次穿过PPLN非线性晶体和频,再经腔增强谐振倍频过程高效地产生了输出功率大于2 W的318. 6 nm紫外激光,半小时内,光功率的方均根起伏优于0. 87%。采用电子学边带锁频方案,实现了整个紫外激光系统在保持相对于高精细度超稳腔锁定条件下较大范围连续调谐,其连续调谐范围大于4 GHz,残余频率起伏约16 k Hz。采用本文研制的高功率窄线宽可调谐318. 6 nm紫外激光系统,在铯热原子气室中实现了6S_(1/2)→n P_(3/2)(n=70～100)的单光子跃迁里德堡激发,并对相关现象作了相关的理论分析与研究。采用纯光学探测方案观察到了318. 6 nm紫外激光对磁光阱中铯冷原子系综的单光子跃迁里德堡激发。     

不同波长的激光器通过法布里-珀罗腔相对于铯原子谱线的锁定

采用共焦法布里珀罗腔(CFP)作为桥梁,可以实现不在原子、分子跃迁线附近的单频激光器相对于原子、分子跃迁线的锁定,从而可以有效地抑制激光频率的漂移。在实验中通过射频频率调制光谱技术结合饱和吸收光谱(SAS)将自制852nm光栅外腔反馈半导体激光器锁定到铯6S1/2Fg=4-6P3/2Fe=4、5交叉线上,通过Pound-Drever-Hall(PDH)射频边带技术将作为桥梁的共焦法布里珀罗腔锁定在852nm激光频率上。再通过PDH方法将830nm和908nm两台远离铯原子D2线的外腔半导体激光器同时锁定在作为桥梁的共焦法布里珀罗腔上,实现了830nm和908nm两台激光器相对于铯原子跃迁线的锁定。由锁定后的误差信号估算,20s内852nm激光器相对于铯原子Fg=4-Fe=4、5交叉线的频率起伏小于±540kHz,830nm、908nm激光器相对于共焦法布里珀罗腔的频率起伏分别小于±340kHz和±60kHz,共焦法布里珀罗腔相对于852nm激光的频率起伏小于±550kHz。     

激光烧蚀Al热原子与CF4反应中C2的形成及其发光光谱研究

脉冲激光烧蚀金属平面铝靶产生的热原子与气相CF4碰撞反应中，在400—600nm之间观测到激发态C2分子的发光光谱，它们可归属为Swan带的d3Πg-a3Πu跃迁中Δv＝２，1，0，-1，-2五个振动序列（v'≤6）.光谱强度分析表明，C2激发态的振动温度达6340K左右.与激光烧蚀Al＋O2反应生成AlO的实验结果以及激光烧蚀Cu＋CF4的光谱比较，对比Al(2P1/2-2S1/2,3944nm）和C2的d—a跃迁（0—0）带带头（5165nm)的飞行时间轮廓，认为激发态的Al(2S1/2)原子通过 关键词： 激光烧蚀 发光光谱 C2分子     

LBO Ⅰ类临界相位匹配内腔和频555 nm激光器

报道了全固态连续波555 nm激光器.555 nm激光是分别由Nd:YAG和Nd:YVO4晶体的946 nm和1342 nm谱线非线性和频产生,两条谱线在各自晶体对应能级跃迁分别为4F3/2-4Ⅰ9/2和4F3/2-4Ⅰ13/2.实验中采用复合折叠腔结构,利用LBOI类临界相位进行腔内和频,当注入Nd:YAG和Nd:YVO4晶体的泵浦功率分别为20 W和10 W时,获得1.06 W的TEM00连续波555 nm激光输出.4小时功率稳定度优于±3.3%.实验结果表明采用两种激光晶体进行腔内和频是获得激光的高效方法,并可以应用到其它两种激光晶体进行腔内非线性和频,获得更多不同波长激光输出.     

端面抽运Nd∶YAG陶瓷1.83 μm激光

报道了基于Nd∶YAG透明陶瓷4F3/2-4I15/2跃迁实现1.83 m激光输出的研究。采用简单紧凑的平凹腔结构,结合对腔镜镀膜参数的设计,控制其他能级跃迁谱线对应波长激光的透射损耗来抑制较强能级跃迁对应的激光振荡。在入射抽运功率14.6 W的808 nm波长半导体激光端面抽运Nd∶YAG透明陶瓷,获得了0.65 W的1.83 m激光输出,斜率效率5.8%。可见Nd∶YAG透明陶瓷可望成为获得1.8 m波段激光直接输出的激光介质。     

飞秒激光诱导的Mn2+掺杂锗酸盐玻璃上转换发光

研究了室温下的飞秒激光诱导过渡金属Mn2+掺杂锗酸盐玻璃的上转换发光现象。样品的激发光谱与发射光谱表明,激发过程是能级6A(6S)→4E(4G)/4A1(4G)的跃迁,该过程源于Mn2+离子的4T1(4G)→6 A1(6 S)跃迁。由409 nm单色光激发样品得到的发射光谱与800 nm飞秒激光激发的光谱相一致。通过分析飞秒激光泵浦功率密度与荧光强度的依赖关系以及飞秒激光辐照样品前后的吸收谱,认为该上转换过程为双光子同时吸收过程。随着Mn2+浓度的提高,上转换发光的中心波长发生红移。     

885nm双端泵准连续微秒脉冲1319nm三镜环形腔激光

采用885 nm半导体激光双端泵Nd:YAG三镜环形腔获取高功率、高光束质量、可调谐的准连续微秒脉冲1319 nm激光,通过腔镜镀膜和腔内插入标准具,分别抑制Nd:YAG的1064 nm与1338 nm谱线起振.薄膜偏振片用作环形腔的输出镜,与半波片配合实现输出耦合率连续可调.885 nm抽运功率150 W时,在热近非稳腔运转条件下获得重复频率800 Hz脉冲宽度150μs、平均功率22.5 W的1319 nm偏振激光输出,光束质量因子M_x~2=1.35,M_y~2=1.24.腔内插入1319 nm的倍频晶体KTiOPO_4。通过二次谐波效应使高强度的尖峰脉冲序列减弱,实现激光脉冲弛豫振荡的有效抑制.精确控制标准具温度,实现激光波长从1318.888 nm精细调谐到1319.358 nm,调谐范围为470 pm(81 GHz),相应的调谐精度为0.7 pm(125 MHz).     

Observation of rubidium 5S1/2 --> 7S1/2 two-photon transitions with a diode laser

The 5S1/2 --> 7S1/2 two-photon transition of atomic rubidium, which is 100 times weaker than the 5S-5D transition, is observed with an extended-cavity diode laser and a vapor cell. Signals with a signal-to-noise ratio of 280 are obtained with a laser power of 10 mW, and the observed linewidth is 3 MHz. The laser wavelength is 760 nm and is locked on the transitions to a stability of 2 x 10(-11). For the first time to our knowledge, the isotope shift of this transition is measured to be 130(4) MHz in atomic frequency.     

窄线宽1064 nm光纤激光泵浦高效率中红外3.8μm MgO:PPLN光参量振荡器

采用放大1064 nm掺镱光纤激光器作为泵浦源,实现了中红外3.8μm MgO:PPLN光参量振荡(OPO)激光输出。在泵浦源中,采用分布式反馈激光器(DFB)作为种子源来实现光纤激光窄线宽的调制,实现线宽2.5 nm到0.1 nm的压缩,最大平均输出功率可达40 W。进一步对不同泵浦线宽条件下中红外3.8μm MgO:PPLN OPO激光进行研究,最终在泵浦功率为18.1 W、线宽为0.1 nm、重频为1 MHz、脉宽为2 ns时,获得了最高平均输出功率为2.06 W的3822.5 nm激光输出,光-光转换效率为11.38%,光束质量为M2=2.34,提高了窄线宽泵浦对中红外MgO:PPLN OPO激光输出效率。     

Low phase noise diode laser oscillator for 1S-2S spectroscopy in atomic hydrogen

We report on a low-noise diode laser oscillator at 972?nm actively stabilized to an ultrastable vibrationally and thermally compensated reference cavity. To increase the fraction of laser power in the carrier we designed a 20?cm long external cavity diode laser with an intracavity electro-optical modulator. The fractional power in the carrier reaches 99.9%, which corresponds to an rms phase noise of φ(rms)2=1?mrad2 in 10?MHz bandwidth. Using this oscillator, we recorded 1S-2S spectra in atomic hydrogen and have not observed any significant loss of the excitation efficiency due to phase noise multiplication in the three consecutive two-photon processes.     

Continuous coherent Lyman- alpha excitation of atomic hydrogen.

The 1S-2P transition in atomic hydrogen has been observed for the first time with almost natural linewidth. We employ a unique source of continuous coherent Lyman- alpha radiation based on four-wave mixing in mercury. The output of the source has been improved 40-fold to yield 20 nW. This demonstration shows that laser cooling and detection with continuous Lyman- alpha radiation has excellent prospects for future experiments with antihydrogen.     

Development of two-color laser system for high-resolution polarization spectroscopy measurements of atomic hydrogen

We have developed a high-spectral-resolution laser system for two-photon pump, polarization spectroscopy probe (TPP-PSP) measurements of atomic hydrogen in flames. In the TPP-PSP technique, a 243-nm laser beam excites the two-photon 1S-2S transition, and excited n=2 atoms are then detected by polarization spectroscopy of the n=2 to n=3 transition using 656-nm laser radiation. The single-frequency-mode 243 and 656-nm beams are produced using injection-seeded optical parametric generators coupled with pulsed dye amplifiers. The use of single-mode lasers allows accurate measurement of signal line shapes and intensities even with significant pulse-to-pulse fluctuations in pulse energies. Use of single-mode lasers and introduction of a scheme to select nearly constant laser energies enable repeatable extraction of important spectral features in atomic hydrogen transitions.     

Highly-Efficient Ho:S<Subscript>i</Subscript>Sc<Subscript>2</Subscript>O<Subscript>5</Subscript> Laser Pumped by a Narrow Line-Width Tm:YAP Laser at 1.94 <Emphasis Type="Italic">μ</Emphasis>m

We present a highly-efficient continuous-wave Ho:SSO laser pumped by a diode-pumped Tm:YAP laser with a narrow linewidth (NL) of 0.3 nm. With the free-running (FR) Tm:YAP laser, we obtain a maximum output power of 2.23 W at an absorption pump power of 7.2 W, corresponding to an optical conversion efficiency of 31% and a slope efficiency of 42.6%. With the NL Tm:YAP laser, we obtain a maximum output power of 2.88 W at the same absorption pump power. The optical conversion efficiency increases to 40% when the slope efficiency increases to 55.5%. The output linewidth of the Ho:SSO laser is 0.8 nm when we use the Tm:YAP laser with a narrow linewidth of 1.8 nm pumped by a FR Tm:YAP laser. The beam quality also changes from 1.31 to 1.22.     

基于简单MOPA结构实现3.08 kW全光纤窄线宽线偏振激光输出

基于简单的主振荡功率放大结构,演示了一种高功率窄线宽线性偏振全光纤激光器,其最大输出功率为3.08 kW,3 dB线宽为0.2 nm。在整个功率缩放过程中,偏振消光比约为94%,光束质量M 2约为1.4。这是国内外首次实现3 kW全保偏光纤激光输出,与基于相位调制的窄线宽激光器相比,该激光器可实现近似的线宽,同时具有受激布里渊散射阈值高、系统结构简单、成本低等特点。     

可调谐掺铥光纤激光器线宽压缩及其超光谱吸收应用

可调谐二极管激光吸收光谱技术是一种应用非常广泛的吸收光谱测量技术.利用宽带可调谐窄线宽光源进行吸收光谱测量的超光谱吸收技术可以在单次扫描中获取一段连续光谱的所有吸收数据,可大大提高可调谐二极管激光吸收光谱技术的数据信息容量和光谱诊断能力.分析了在2μm波段对水进行超光谱吸收测量时对激光器输出线宽的具体要求.利用掺铥光纤在2μm波段较宽的发射谱,采用可调谐法布里-珀罗滤波器和光纤可饱和吸收体相结合的技术方案搭建了一台宽带调谐窄线宽的2μm光纤激光器.获得了1840—1900 nm约60 nm范围的调谐光谱输出,激光器静态线宽仅为0.05 nm.利用该光源对空气中水在2μm波段的吸收光谱数据进行了超光谱吸收测量,在1856—1886 nm约30 nm的光谱范围内分辨了35条水的吸收谱线.通过对不同线宽条件下1870—1880 nm范围内的理论吸收光谱数据进行对比发现,测量数据无法有效分辨分别位于1873 nm和1877 nm处与强吸收线相邻的两条吸收谱线,且测量结果与激光线宽在0.08 nm条件下的HITRAN2012光谱数据库最为接近.这表明,在动态扫描过程中激光器的线宽得到了展宽.