单模795 nm垂直腔面发射激光器作为铷原子钟的激光光源，一般采用氧化限制结构获得单模输出。对垂直腔面发射激光器外延结构以及氧化限制孔径进行了优化设计。基于有限元分析方法，利用光纤波导理论和热电耦合模型，对氧化孔径的光学和电学限制进行了模拟，计算分析了实现单模和良好热电特性所需的氧化孔径大小。实验制备了具有不同氧化孔径的器件，并进行了功率-电流以及光谱特性测试。当氧化孔径为1.9 μm时，在3~7 mA注入电流下器件始终保持单模输出，边模抑制比大于35 dB；器件保持单模输出的最大氧化孔径为3.8 μm，室温下阈值电流为1 mA，最大饱和输出功率为2 mW，斜率效率为0.3 W/A，3 mA注入电流下的出射波长为790 nm，边模抑制比大于30 dB。制备的室温下单模特性良好的790 nm垂直腔面发射激光器，为实现高温下795 nm偏振稳定单模输出提供了可能。

1560 nm窄线宽激光器作为光学C波段的重要波长成分，在光纤传感和激光雷达等领域有着广泛的应用，实现该波段的激光稳频对光谱学和精密测量具有重要意义。本文采用1560 nm窄线宽光纤激光器作为种子光源，倍频至780 nm波段后，利用调制转移光谱(MTS)将倍频光锁定在铷原子(⁸⁵Rb)D2线的3-4交叉峰上；并研究探测光和泵浦光功率比、调制解调信号的频率和幅值来优化MTS信号，最终同时实现1560 nm光纤激光器的频率锁定及780 nm的稳频输出。激光器稳频后与低噪声精密锁定的光学频率梳进行拍频，通过频率计测量拍频信号并进行Allan方差分析，积分时间为10 s时，相对频率稳定度为1.4×10^－11。

报道一种自主设计研制的面向Rb原子精密测量应用的780 nm高功率激光源样机。该样机采用线偏振、窄线宽且频率可宽带调谐的单个1560 nm光纤激光器作为种子源,通过有效提升光纤放大器的输出功率,经PPLN倍频产生的780 nm激光功率高达2.25 W。采用边带锁定的饱和吸收稳频技术,高功率780 nm激光中心频率可长期稳定在±150 kHz以内,且可精确调谐1.2 GHz,线偏振度高达23 dB。该样机操作方便、可搬运,非常适合于Rb原子的精密测量应用。

通过一种脉冲钛蓝宝石激光器抽运铷蒸汽激光器，研究了抽运铷蒸汽激光器的动力学特性。铷蒸汽泡在室温下充满70 kPa甲烷和6 atm氦气。激光器的平均输出功率为208 mW，从吸收的779.8 nm泵浦光到795 nm激光的转换效率为19%。该激光器的峰值功率为693 W，重复率为3 kHz, 脉冲宽度(FWHM)100 ns。实验表明，在高泵浦光强DPALs中，Rb-He-CH4混合物的再吸收将是一个重要的限制。可以推导出在418 K时(缓冲气体：70 kPa甲烷和6 atm氦气，室温)，泵浦源LDs的线宽为0.9 nm时，Rb-He-CH4系统的泵浦强度阈值大于200.6 kW/cm2。

为了研究碱金属铷蒸气激光器中新的波长输出情况及其可能的应用,在铷原子系统中通过5 2S1/2→6 2D5/2 和5 2S1/2→6 2D3/2的双光子激发和四波混频过程产生358.7 nm、359.1 nm、420.3 nm和421.7 nm四种波长的激光输出,得出了6 2D5/2和6 2D3/2能级的最佳共振位置以及共振线宽,研究了产生的四波混频激光信号强度随体系温度和泵浦光单脉冲能量的变化情况,发现了当体系温度高于185 ℃时6 2D5/2→6 2P1/2的反常跃迁情况并给出了初步解释。实验结果表明,这种通过铷蒸气四波混频产生蓝紫激光的技术可以为海洋资源探测、高密度信息存储及水下激光通信等领域提供一种新的激光光源。

将冷原子、超快和强激光技术结合,本课题组最近成功研发了一种新型磁光阱反冲离子动量谱仪(MOTRIMS)装置。介绍了MOTRIMS工作原理,使用吸收成像法和光电离法对靶的密度、温度和速度进行分析标定,得到三维MOT靶的温度为(130±30) μK,速度为(0.1±0.1) m/s,密度约为10 9 atom/cm 3,二维MOT和molasses靶的密度分别约为10 7 atom/cm 3和10 8 atom/cm 3。对比热蒸气靶,在离子飞行方向上冷原子靶的动量分辨率提高了约14倍,飞行时间谱的质量分辨率高达3000。利用800 nm飞秒激光探测Rb +的三维动量分布,在低激光强度10 11 W/cm 2下观测到明显的阈上电离现象,表明铷原子有很大的阈上电离截面。MOTRIMS具有高分辨离子动量分布全空间成像能力,是研究金属原子强场量子微观动力学的新工具。

设计了一种基于半导体激光器的780 nm高光谱分辨率激光雷达。发射系统以分布反馈式半导体激光器为种子源,利用脉冲电流驱动的锥形半导体光放大器实现窄线宽微脉冲激光输出。分光系统由干涉滤光片、法布里-珀罗标准具和铷原子吸收池构成。干涉滤光片带宽为0.5 nm,法布里-珀罗标准具的半峰全宽为2.8 GHz,二者串联可有效剔除太阳背景光。温度为338 K的铷原子吸收池对米氏散射信号的抑制比达33 dB,可有效提取瑞利散射信号。基于美国标准大气模型对系统进行了数值仿真,验证了系统的探测能力。研究结果对气溶胶光学参量的探测研究具有重要意义。

为了获得结构简单、成本相对低廉的高功率780nm激光, 采用了单块倍频晶体的腔外倍频方法。分布式反馈半导体激光器产生的连续激光注入光纤放大器后, 通过周期极化铌酸锂晶体进行准相位匹配, 取得了铷原子的饱和吸收光谱。结果表明, 该激光器产生了1.2W的倍频光, 具有较高的输出功率。这一结果对铷原子钟、原子干涉仪等冷原子物理实验的小型化是有帮助的。

针对实际环境中对频标驯服的速度、稳定性的要求, 基于自主开发的多钟联合守时平台, 对现有的经典驯服算法进行了研究与改进。介绍了平台的基本组成和驯服架构, 分析了驯服算法参数确定方式, 基于初值选取和自适应滤波的方法, 对卡尔曼滤波算法在实际场景的应用做出改进。通过软件仿真与平台实际测试实验, 结果表明, 当采用先验估计的方法生成初值和Sage-Husa自适应滤波方法来驯服铷原子钟时, 显著提高了卡尔曼滤波在实际平台上的驯服速度, 耗时只需改进前的四分之一。