双波长泵浦铯原子窄线宽激光的理论研究

许朋

(皖北卫生职业学院公共基础部，安徽宿州234000)

2005年，Chen等[1],①Chen J B, Chen X Z. Optical Lattice Laser [C] // Proceedings of the 2005 IEEE International Frequency Control Symposium and Exposition. 2005: 608-610.提出主动光钟的方案，理论表明该方案可实现输出激光的线宽达到毫赫兹量级．2013年，Wang等[2]在实验上首次实现了四能级主动光钟的受激辐射，输出光功率达到10 μW．2014年，Pan等②Pan D, Xu Z C, Xue X B, et al. Lasing of Cesium Active Optical Clock with 459 nm Laser Pumping [C] // Proceedings of the Joint IEEE International Frequency Control Symposium. 2014: 19-22.进一步测量四能级主动光钟的腔牵引系数达到40，输出光线宽FWHM（Full Width at Half Maximum）为590 Hz，提出并实现了法拉第主动光钟方案，受激辐射输出光功率最大达到75 μW，FWHM为281 Hz[3]．从文献[4]可知，铯原子四能级主动光钟方案降低了泵浦光的光频移影响，具有一定的优势．文献[5]研究了双波长好坏腔主动光钟．当两个1 064 nm好腔激光锁定之后，腔长变化对输出1 469.9 nm激光线宽的影响得到极大抑制，输出1 469.9 nm激光的线宽很窄（约53 Hz）．同时，文献[5]还讨论了一些影响线宽的因素，如泵浦光的光强、铯泡的温度、磁场等．分析产生1 469.9 nm激光的实验过程，发现泵浦光泵浦的原子有一部分跃迁到其它能级损失掉，从而影响输出激光的功率．本文提出采用455.5 nm和1 360.6 nm激光泵浦产生1 469.9 nm激光的方法．计算表明，加入1 360.6 nm泵浦光后，1 469.9 nm激光相关的1/27S能级的布居几率增加，3/26P能级的布居几率降低．研究了在455.5 nm和1 360.6 m泵浦光作用下，1 469.9 nm激光线宽随腔损率、输出功率变化的过程．计算结果对优化铯原子主动光钟实验、进一步降低激光线宽，有一定的参考意义．

1 铯原子四能级系统的布居翻转

与铯原子窄线宽激光相关的一些能级如图1所示，为了简化描述，图1中相关的能级同时用表示．455.5 nm激光把处于6S1/2能级的原子泵浦到7P3/2能级，随后原子从7P3/2能级自发跃迁……