用于无自旋交换弛豫机制磁力计泵浦的微结构自加热碱金属激光器

Compact and dependable alkali lasers have bright prospects in the pumping of spin-exchange relaxation-free (SERF) atomic magnetometer. This project involves a micro-fabricated and self-heated alkali laser. The laser, which utilizes the unabsorbed pumping light as the heater of the micro-fabricated cell, has the features of linear polarization and output power of Watt level. The laser can serve as a good pumping source for a SERF magnetometer. The laser is pumped at double ends, and the alkali cell is fabricated by anodic bonding of glasses and silicon. Two pieces of pumping light absorber are attached tightly to the cell in order to self-heating. Based on the concept “active region temperature varies → refractive index varies → optical path varies → laser phase varies”, a novel method for measuring the active region temperature will be developed. The method will be used to research the intrinsic relationships among the factors affecting the self-heating. The researches in this project will push forward the applications of low-power alkali lasers and contribute to improve the volume and uniformity of SERF atoms.

结构紧凑且性能稳定的碱金属激光器在无自旋交换弛豫机制（SERF）的原子磁力计泵浦领域具有较好的应用前景。本项目以微结构自加热的碱金属激光器为研究对象，使用未被利用的泵浦光加热微型化气室，实现微结构碱金属激光器的线偏振瓦级功率输出，为SERF磁力计提供优质的泵浦源。微结构激光器采用双端泵浦结构，蒸气室利用硅片和玻璃的阳极键合技术实现，在蒸气室两端贴附吸光片，吸光片对未被利用的泵浦光强吸收，实现对蒸气室的自加热。本项目还将按照“增益区温度变化→折射率变化→光程变化→单频光相位变化”的思想，基于相位外差探测的方法，使用单频激光器搭建在线快速测量碱金属激光器增益区温度分布的实验装置，系统研究影响自加热的各个因素之间的内在联系。本项目研究工作的开展，将能够有力推动小功率碱金属激光器的应用，有助于提高SERF态原子的体积和均匀度。

本项目的研究工作，旨在推动小功率碱金属激光器的应用，获得结构紧凑的平均功率瓦级的碱金属激光输出，用于提高无自旋交换弛豫态碱金属原子的体积和均匀度，为原子磁力计提供优质的激光光源。在本项目的资助下，提出了微结构自加热碱金属激光器（SDPAL）的概念，建立了SDPAL的激光输出特性和热设计理论模型。基于该模型，研究了增益长度、蒸气室温度、泵浦光线宽、对流换热系数、泵浦光聚焦参数、蒸气室泵浦光利用率、吸光片的光热转换效率等参量对SDPAL输出特性的影响，阐述了SDPAL各个参量之间的内在联系，得到了若干组瓦级输出功率SDPAL的实验参数。本项目还进行了蒸气室自加热的实验验证，验证了该理论模型的有效性。针对SDPAL在原子磁力计领域的应用，实现了1.8 W的连续Rb-DPAL激光输出，水平和竖直方向的光束质量因子分别为1.19和1.17，具有极好的光束质量。提出并实现了基于碱金属蒸气室标准具效应设计的DPAL，该类型DPAL使用内表面未镀膜的碱金属蒸气室作为输出耦合镜，将寄生振荡进行再利用，在高效率碱金属激光器输出方面具有较为广阔的应用前景。