本发明属于激光，尤其涉及一种大功率气态相干放大超稳激光器及其实现方法。
背景技术：
1、超稳激光器在量子领域有着重要的应用，比如应用于量子计算、量子通信、量子模拟、量子精密测量等领域。特别地，在精密测量领域，往往需要激光器的频率精准对应原子的跃迁谱线，并通过探测原子实现对物理量如时间、频率、电场等的超高精度测量，这对于基础科学研究和精密工程应用非常重要。另外，在原子钟、原子干涉仪、原子陀螺仪等具体应用上，对激光器的功率也提出了很高的要求。比如，为了获得更高精度的原子钟，需要利用激光冷却技术获得超低温的原子作为量子参考。高功率的激光器可以保证激光冷却的效率与激光冷却的范围。总之，高功率的超稳激光器对于量子精密测量领域至关重要，也可以广泛应用至激光通信、卫星导航定位、信息化战场等领域。
2、目前量子领域使用的超稳半导体激光器多利用干涉片以及光栅等宏观器件进行频率的选择，其典型输出功率值约几十毫瓦量级无法满足广泛的应用需求。为了获得高功率，通常利用半导体激光放大器对原始输出激光进行功率放大，使得功率达到瓦量级来满足特定量子精密测量领域的实验需求。半导体激光放大器的工作原理基于受激发射，与激光器类似，但主要用于放大已有的激光信号。其设计以及实现也面临诸多挑战，比如需要克服热效应、波前畸变、寄生振荡等问题，以确保高光束质量和高效率激光输出。除此之外，基于干涉滤光片和光栅的半导体激光器的输出频率取决于宏观的频率选择器件，容易受到外界温度变化、振动等影响，无法保证开机即用。因此，再在使用前需要利用波长计等测量仪进行调节，使其波长对应原子跃迁谱线时再进行使用。这种缺陷给现在的原子钟、原子干涉仪，原子磁力仪、原子陀螺仪，以及高精密激光光谱计量等室外应用和长时应用造成了许多无法克服的实际应用问题，这类半导体激光器的长期频率稳定性问题是一个国际性的科研仪器和高精度测量的瓶颈性挑战。
技术实现思路
1、为了克服上述利用传统干涉滤光片和光栅等宏观器件进行频率选择的激光器，存在频率稳定度差、激光频率不能自动与原子谱线对应、长期连续运行能力不足等“卡点”问题，针对现有的干涉滤光片/光栅外腔半导体激光器输出功率有限的问题，以及针对传统半导体激光放大器由于热效应、波前畸变、寄生振荡等问题导致的光束质量不高、激光输出效率不高的问题，本发明首次提出一种大功率气态相干放大超稳激光器及其实现方法，能够实现自动对准原子跃迁谱线的激光输出，并且其输出激光功率可达瓦量级，充分满足量子精密测量领域对高功率、超稳半导体激光器的需求，在提升我国量子精密测量领域原始创新、推动核心器件和关键应用自主可控方面具有重大价值。
2、本发明的目的是提出一种大功率气态相干放大超稳激光器及其实现方法，利用原子的法拉第旋光效应直接选择出对应原子跃迁谱线的激光频率，通过气体介质中的原子的能级跃迁来实现激光的功率放大，最终实现瓦量级大功率且频率对准原子跃迁谱线的高性能激光器，满足众多量子领域的切实需求。
3、本发明的技术方案为：
4、一种大功率气态相干放大超稳激光器，其特征在于，包括控制电源、激光二极管、聚焦准直透镜、起偏器、原子气室、加热控温装置、磁场单元、检偏器、腔镜、两套泵浦激光器、相干放大原子气室、两偏振分光棱镜；其中，
5、所述激光二极管的输出光路上依次设置所述聚焦准直透镜、起偏器、原子气室、检偏器、腔镜；
6、所述聚焦准直透镜用于对所述激光二极管输出的激光进行准直后经所述起偏器起偏，使水平偏振的激光进入所述原子气室；
7、所述原子气室外设置所述加热控温装置，用于加热所述原子气室；
8、所述原子气室外设置所述磁场单元，用于为所述原子气室提供磁场；
9、所述原子气室从所述水平偏振激光中过滤出与所述原子气室内原子的目标跃迁频率对应的光并且将其偏振方向旋转90°变为垂直偏振光后经所述检偏器入射到所述腔镜；所述检偏器的偏振方向与垂直偏振光偏振方向一致；
10、所述相干放大原子气室两侧各放置一所述偏振分光棱镜和一套所述泵浦激光器；所述泵浦激光器出射的激光经同侧的所述偏振分光棱镜入射到所述相干放大原子气室内；所述相干放大原子气室内充有增益介质原子以及用于发生碰撞进行能级转移的缓冲气体；所述泵浦激光器出射的激光激励所述增益介质原子中的原子由基态能级跃迁至上能级，所述增益介质原子中的原子上能级通过所述缓冲气体的碰撞掉落至下能级，在基态能级和下能级之间形成布居数反转，作为相干放大的增益介质；所述目标跃迁频率为所述基态能级与所述下能级之间的跃迁频率；
11、所述腔镜用于将入射光部分反射回所述激光二极管，形成谐振反馈，得到频率对准所述原子气室内原子跃迁谱线的种子激光；所述种子激光经一所述偏振分光棱镜入射到所述相干放大原子气室，经所述增益介质放大后由另一所述偏振分光棱镜输出放大后的激光；
12、所述相干放大原子气室内的增益介质原子与所述原子气室中的原子相同。
13、进一步的，所述检偏器将入射光束分为两束，一束入射到所述腔镜、另一束输入到所述偏振分光棱镜。
14、进一步的，还包括加热控温层、磁屏蔽层，所述磁屏蔽层内设有所述加热控温层，所述加热控温层内设有所述原子气室、所述磁场单元。
15、进一步的，所述增益介质原子为铷气体原子87rb或铷气体原子85rb。
16、进一步的，所述缓冲气体为甲烷。
17、进一步的，所述激光二极管的前表面镀增透膜，用于克服其对激光输出模式的影响；所述加热控温装置为加热片，所述加热片缠裹于所述原子气室外侧；所述磁场单元为永磁铁。
18、进一步的，所述起偏器与所述检偏器为一对偏振方向正交的格兰泰勒棱镜或偏振分光棱镜。
19、进一步的，所述相干放大原子气室外侧设置有加热控温装置，以保证充足的增益介质原子数目。
20、一种大功率气态相干放大超稳激光器的实现方法，其步骤包括：
21、1)激光二极管作为光源发射出的激光经聚焦准直透镜准直后经所述起偏器起偏，使水平偏振的激光进入原子气室；在相干放大原子气室两侧各放置一偏振分光棱镜和一套泵浦激光器；所述泵浦激光器出射的激光经同侧的所述偏振分光棱镜入射到所述相干放大原子气室内；所述相干放大原子气室内充有增益介质原子以及用于发生碰撞进行能级转移的缓冲气体；所述泵浦激光器出射的激光激励所述增益介质原子中的原子由基态能级跃迁至上能级，所述增益介质原子中的原子上能级通过所述缓冲气体的碰撞掉落至下能级，在基态能级和下能级之间形成布居数反转，作为相干放大的增益介质；其中，所述相干放大原子气室内的增益介质原子与所述原子气室中的原子相同；
22、2)所述水平偏振的激光经过原子气室并在磁场作用下，从所述水平偏振激光中过滤出与所述原子气室内原子的目标跃迁频率对应的光并且将其偏振方向旋转90°变为垂直偏振光后经检偏器入射到腔镜；所述检偏器的偏振方向与垂直偏振光偏振方向一致；所述目标跃迁频率为所述基态能级与所述下能级之间的跃迁频率；
23、3)所述腔镜将入射光部分反射回所述激光二极管，形成谐振反馈，得到频率对准所述原子气室内原子跃迁谱线的种子激光；
24、4)所述种子激光经一所述偏振分光棱镜入射到所述相干放大原子气室，经所述增益介质放大后由另一所述偏振分光棱镜输出放大后的激光。
25、本发明的大功率气态相干放大超稳激光器，在结构上包括：控制电源、激光二极管、聚焦准直透镜、起偏器、原子气室、加热片、永磁铁、加热控温层、磁屏蔽层、检偏器、腔镜、两套泵浦激光器、相干放大原子气室、偏振分光棱镜。其中，激光二极管、聚焦准直透镜、起偏器、原子气室、检偏器、腔镜依次相邻设置。原子气室外缠裹加热片，并放置永磁铁提供磁场。气室及永磁铁外侧放置有加热控温层和磁屏蔽层。相干放大原子气室两侧各放置一个偏振分光棱镜和一套泵浦光源。泵浦光源出射的激光经过偏振分光棱镜打入相干放大原子气室内。由检偏器一侧出射的激光经过其中一个偏振分光棱镜打入相干放大原子气室，并由另一个偏振分光棱镜反射后出射，即为放大后的激光。
26、一种大功率气态相干放大超稳激光器的实现方法，即上述大功率气态相干放大超稳激光器的工作过程，包括以下步骤：
27、激光二极管作为光源发射出激光，经过聚焦准直透镜和起偏器后进入原子气室。起偏器用于使水平偏振激光经过，即经起偏器输出的水平偏振激光输入原子气室。原子气室外侧缠裹加热片，用于加热原子气室。永磁铁放置于原子气室四周，用于提供磁场。在磁场作用下，由于磁致旋光效应，水平偏振激光通过原子介质时，其偏振方向发生一定的偏转。通过设置加热温度、磁场强度(加热温度一般为55℃-75℃之间，磁场大小需要根据气室的长度以及实际实验的情况进行选择，一般为500-1800高斯)，使得输入的水平偏振激光光谱中仅有与原子气室中的设定原子的目标跃迁频率对应的光可以通过原子气室并且偏振方向旋转90°变为垂直偏振光，此部分光会最大限度地通过检偏器。通过检偏器后，该垂直偏振光垂直入射至腔镜，而后又会有一定比例的光通过腔镜反射，从而与入射光平行反向地返回至激光二极管，形成谐振反馈，实现频率对准原子跃迁谱线的高性能激光。
28、相干放大原子气室置于一对偏振分光棱镜中间，偏振分光棱镜两侧各有一套泵浦激光器。泵浦激光器出射的激光经过偏振分光棱镜打入相干放大原子气室内。相干放大原子气室内充有增益介质原子以及用于发生碰撞进行能级转移的缓冲气体甲烷。泵浦激光器激励原子由基态能级跃迁至上能级。原子通过缓冲气体甲烷的碰撞掉落至下能级，在基态能级和下能级之间形成布居数反转，作为后续相干放大的增益介质。由检偏器一侧出射的激光经过其中一个偏振分光棱镜打入相干放大原子气室，激光通过原子增益介质实现受激辐射气态相干放大。放大后的激光由另一个偏振分光棱镜反射后出射，由此实现瓦量级大功率且频率对准原子跃迁谱线的高性能激光器。
29、进一步地，为了最大限度地减弱内腔模的影响，上述激光二极管的前表面镀增透膜，从而克服其对激光输出模式的影响。
30、进一步地，激光二极管需要有配套的控制电源，用于精确控制激光二极管的工作电流和温度。
31、进一步地，为了使上述原子气室的工作环境更稳定，减小外界温度波动对激光频率的影响，在上述原子气室外设置加热控温层。
32、进一步地，为更好地减小温度波动对原子气室的影响，原子气室可以为双层真空原子气室，利用抽真空进一步隔绝外界环境温度的变化。
33、进一步地，为更好地减小温度波动对原子气室的影响，原子气室可以设置为双层真空原子气室。
34、进一步地，为了减小外界磁场的影响以及为了减小永磁铁对产生的磁场对其他元器件的影响，在原子气室及永磁铁外部设置有磁屏蔽层。
35、进一步地，上述永磁铁的数量可以是两根或多根，其放置位置应保证原子气室内部磁场尽可能均匀并满足磁场大小的需求。此外，也可以将永磁铁更替为通电线圈来提供磁场。
36、进一步地，上述磁场方向可以与激光通过原子气室的方向平行，为法拉第构型；上述磁场方向也可以与激光通过原子气室的方向垂直，为佛克脱构型。
37、进一步地，起偏器和检偏器可以为一对正交的格兰泰勒棱镜，也可以用一对正交的偏振分光棱镜。
38、进一步地，泵浦激光器所发出的激光对应原子气室中原子的基态能级和所述上能级，激光二极管所发出的激光对应原子气室中原子的基态能级和所述下能级。
39、进一步地，原子气室中的原子应与相干放大原子气室内的增益介质原子为同种原子。
40、进一步地，上述原子气室内地原子可以是铷原子、铯原子以及其他具有类似能级的原子。
41、进一步地，以原子气室中充入铷原子为例，相干放大原子气室内的增益介质原子也应为铷原子。激光二极管输出激光波长应为795nm，对应铷原子d1线跃迁。两套泵浦激光器输出激光波长应为780nm。
42、进一步地，上述相干放大原子气室外侧设置有加热控温装置，以保证充足的增益介质原子数目。
43、本发明提出的一种大功率气态相干放大超稳激光器及其实现方法，首次直接利用气体原子的能级跃迁来实现频率可以对准原子跃迁谱线的激光的气态相干放大，且功率可以达到瓦量级。创新性地利用缓冲气体甲烷实现铷原子(铯原子等)以及不同能级之间的转移，并作为增益介质实现激光的气态相干放大。该方案在很大程度和范围内解决了传统外腔半导体激光器输出功率有限的问题。并且，该方案不必使用经常导致光束质量不高、激光输出效率不高问题的传统半导体激光放大器，克服了其频率稳定度差、激光频率不能自动与原子谱线对应、长期连续运行能力不足等“卡点”问题。这可以实现性能更优越的高功率、超稳半导体激光器，应用于我国量子精密测量领域，有助于实现更高指标的高精尖仪器设备，如高功率、频率与原子跃迁谱线对应的激光器的原子钟、原子钟干涉仪、原子重力仪、原子陀螺仪等。
1.一种大功率气态相干放大超稳激光器，其特征在于，包括控制电源、激光二极管、聚焦准直透镜、起偏器、原子气室、加热控温装置、磁场单元、检偏器、腔镜、两套泵浦激光器、相干放大原子气室、两偏振分光棱镜；其中，
2.根据权利要求1所述的大功率气态相干放大超稳激光器，其特征在于，所述检偏器将入射光束分为两束，一束入射到所述腔镜、另一束输入到所述偏振分光棱镜。
3.根据权利要求1所述的大功率气态相干放大超稳激光器，其特征在于，还包括保温控温层、磁屏蔽层，所述磁屏蔽层内设有所述保温控温层，所述保温控温层内设有所述原子气室、所述磁场单元。
4.根据权利要求1或2或3所述的大功率气态相干放大超稳激光器，其特征在于，所述增益介质原子为铷气体原子87rb或铷气体原子85rb。
5.根据权利要求1或2或3所述的大功率气态相干放大超稳激光器，其特征在于，所述缓冲气体为甲烷。
6.根据权利要求1或2或3所述的大功率气态相干放大超稳激光器，其特征在于，所述激光二极管的前表面镀增透膜，用于克服其对激光输出模式的影响；所述加热控温装置为加热片，所述加热片缠裹于所述原子气室外侧；所述磁场单元为永磁铁。
7.根据权利要求1或2或3所述的大功率气态相干放大超稳激光器，其特征在于，所述起偏器与所述检偏器为一对偏振方向正交的格兰泰勒棱镜或偏振分光棱镜。
8.一种大功率气态相干放大超稳激光器的实现方法，其步骤包括：
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述起偏器与所述检偏器为一对偏振方向正交的格兰泰勒棱镜或偏振分光棱镜；所述检偏器将入射光束分为两束，一束入射到所述腔镜、另一束输入到所述偏振分光棱镜。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括保温控温层、磁屏蔽层，所述磁屏蔽层内设有所述保温控温层，所述保温控温层内设有所述原子气室；所述激光二极管的前表面镀增透膜，用于克服其对激光输出模式的影响；所述加热控温装置为加热片，所述加热片缠裹于所述原子气室外侧；利用永磁铁提供所述磁场。
