论文部分内容阅读
冷原子物理、激光光谱学作为基础研究领域，不仅加深了人类对物质本质和基础自然规律的理解，其研究发展过程中衍生的频标、光梳、质谱仪等技术在学术界、工业界均有广泛应用，具有重要的研究意义。冷原子物理、激光光谱学的进一步发展离不开实验条件的持续完善，激光作为实验装置的重要部分，在实验研究和成果应用中有着举足轻重的作用。这些领域所需的激光需与实验元素的能级、跃迁对应，波长特殊而较难获得，一定程度上阻碍了冷原子物理等领域的进一步发展。光纤激光器自问世以来，以其相对传统激光器在效率、体积、结构、散热、光束质量等方面的优势，一直倍受关注。随着大模场双包层光纤和高功率半导体激光泵浦源的技术进步，近年来光纤激光飞速发展，广泛应用于工业加工、国防、医疗、科研等领域。目前基于稀土元素掺杂光纤和光纤非线性效应的光纤激光已可实现1-2μm宽广波段的较高功率输出，辅以倍频、和频的频率转换技术，可实现各种特殊波长的激光输出，在冷原子物理、激光光谱学等领域有着广阔的应用前景。本文深入研究了光纤激光器的光谱调节技术，针对几个具体应用，采用掺镱光纤激光技术、拉曼光纤激光技术研制了相应的特殊波长激光器，并对其有效性与实用性进行了验证，探索了光纤激光在冷原子物理、激光光谱学等领域的应用前景。主要研究内容如下: 1.针对汞原子激光冷却必需的253.7nm紫外激光这一具体应用，作者研制了室温下1014.8nm单频掺镱光纤放大器以通过四倍频获得该紫外激光，与传统的1014.8nm固体激光器、半导体激光器或液氮制冷的掺镱光纤放大器相比，提高了输出激光功率、简化了实验装置。研究过程中以理论分析、数值模拟和实验验证三方面探索了掺镱光纤中自发辐射放大(ASE)的控制方式，单级掺镱光纤放大器获得了8.06W的最终输出，斜率效率21.9％，直接输出中ASE峰值低于信号光25.4dB，在国际上首次实现1014.8nm室温下使用掺镱光纤的单频放大。通过两级掺镱光纤放大器获得的19.3W激光，是目前掺镱光纤激光器在短波段(＜1020nm)最高的单频输出功率，进一步的功率提升则需使用受激布里渊散射抑制技术。在此基础上，采用商业倍频器完成了4W1014.8nm激光的外腔谐振倍频与四倍频，获得了75mW的253.7nm紫外激光，并由此测得了汞原子1S0-3P1跃迁的吸收谱与饱和吸收谱，验证了系统的有效性和实用性。 2.研究了1-1.1μm宽调谐掺镱全光纤激光器/放大器，以自制的1000-1099nm宽调谐掺镱光纤环形振荡器为基础，实验探索了掺镱光纤放大器在1-1.1μm波段的性能，重点研究了掺镱光纤放大器在1020nm以短波长的表现。经过两级放大，可提供1014-1080nm范围内＞30W的激光输出，是目前宽调谐掺镱全光纤激光器中调谐范围最宽、工作波长最短的报道。通过数值计算分析了短波段掺镱光纤放大器中种子光信噪比的影响，增益光纤长度的优化和理想情况下单级放大器最高增益，为放大器的进一步优化提供了理论指导。该研究不仅为1-1.1μm波段单频掺镱光纤放大器打下了坚实的基础，在掺镱固体的激光制冷领域也有重要应用。 3.拉曼光纤激光器作为一种重要的光纤激光器类型，对其在冷原子物理、激光光谱学领域的应用进行了探索。针对4He元素23P-31,3D跃迁的荧光光谱实验，研制了1176nm单频拉曼光纤放大器及配套的1120 nm掺镱光纤振荡器，以光纤轴向应力梯度的方式较好地抑制了其中的SBS效应，由63.5W的1120nm泵浦激光获得了8.5W的1176nm拉曼激光，转化效率约13.4％。使用商业化的周期极化晶体单通倍频器进行了1178.3nm倍频的验证性实验，获得的589nm激光可用于钠原子的激光冷却等实验。