專(zhuān)利名稱(chēng)：基于量子相干誘導(dǎo)旋光效應(yīng)的原子濾波方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及弱光探測(cè)或者光子計(jì)數(shù)技術(shù)領(lǐng)域，更具體涉及一種基于量子相干誘導(dǎo) 旋光效應(yīng)的原子濾波的方法，同時(shí)還涉及一種基于量子相干誘導(dǎo)旋光效應(yīng)的原子濾波的裝 置，適用于自由空間量子通信、(星-地)激光通信、熒光型(測(cè)溫，測(cè)風(fēng))激光雷達(dá)等系統(tǒng) 在寬頻譜的背景光中提取弱光或者光子信號(hào)，也適用于制作光儲(chǔ)存器、高頻光子計(jì)數(shù)器和 光子開(kāi)關(guān)等量子器件。
背景技術(shù)：
利用原子濾波方法制作的高效率量子器件，已經(jīng)應(yīng)用在長(zhǎng)距離(機(jī)-機(jī)、星-星) 激光通信演示、海洋溫度測(cè)量、溫度和風(fēng)等大氣特性的熒光型激光雷達(dá)探測(cè)等領(lǐng)域。由于在 量子通信里，使用nm帶寬量級(jí)的干涉濾波片，大氣空間的背景噪聲(日光等)相對(duì)于攜帶 信息的光子信號(hào)具有較高光強(qiáng)和寬頻譜范圍的特性，攜帶信息的光子信號(hào)會(huì)淹沒(méi)在日光背 景噪聲中。如何減少自由空間量子通信中由背景光噪聲引起的誤碼率，從而實(shí)現(xiàn)在日光環(huán) 境下大氣空間背景條件探測(cè)攜帶信息的微弱光子信號(hào)，是方法或者技術(shù)上的挑戰(zhàn)。針對(duì)本發(fā)明應(yīng)用背景的已有相關(guān)文章和專(zhuān)利的技術(shù)方案如下1)從“使用原子濾光器的空間量子通信裝置”[孫獻(xiàn)平，李若虹，羅軍，詹明生.， 中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利號(hào):ZL200310111370. 4]和“Free-space quantum keydistribution with Rb vapor filters，，[Xin Shan, Xianping Sun, Jun Luo, Zheng Tanand Mingsheng Zhan., Applied Physics Letter，89，191121 (2006)]可知A、技術(shù)方案——因?yàn)樯⑿驮訛V光 器的 GHz帶寬比干涉濾波片的nm帶寬要窄 3個(gè)多數(shù)量級(jí)以上，對(duì)于自由空間量子通 信，選擇使用色散原子濾光器抑制背景光噪聲；B、其原理是利用的傳統(tǒng)法拉第反常色散效 應(yīng)——強(qiáng)的磁光作用使得信號(hào)光偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)；C、其結(jié)構(gòu)是一對(duì)偏振面正交放置的格蘭 棱鏡中間放置一個(gè)蒸汽泡，蒸汽泡的外面加有磁場(chǎng)；D、存在的問(wèn)題盡管實(shí)驗(yàn)演示表明在 量子通信里使用色散型原子濾光器是一個(gè)較好的選擇，減少了通信誤碼率，量子通信系統(tǒng) 性能獲得顯著改進(jìn)。但是，當(dāng)接收光學(xué)與太陽(yáng)相對(duì)、且不使用微孔空間濾波和時(shí)間窗口濾波 方法時(shí)，仍會(huì)增加誤碼率，影響安全密鑰的獲取。2)為了解決上述問(wèn)題，在“喇曼光放大的原子濾波方法及裝置”[單欣，孫獻(xiàn)平， 羅軍，詹明生，中國(guó)發(fā)明專(zhuān)禾Ij 號(hào):200810046862. 2]和"Ultranarrow-bandwidth atomic filter with Raman light amplification，，[Xin Shan, Xianping Sun, Jun Luo and Mingsheng Zhan.，Optics Letters, 3316 (2008), 1842.]建立了一種喇曼光放大的原子濾 波方法和裝置，其具有超窄帶寬(幾十MHz)特性并能實(shí)現(xiàn)數(shù)十倍量級(jí)微弱信號(hào)的有效光放 大，從而更有效地抑制背景光噪聲。A、技術(shù)方案——利用喇曼光放大方法，加上色散原子濾 波方法；B、其原理是將信號(hào)進(jìn)行喇曼光放大，再使用色散原子濾光器抑制背景光，選通信號(hào) 光；C、其結(jié)構(gòu)是一束耦合光和一個(gè)蒸汽泡組合用作喇曼光放大器，再加上一個(gè)蒸汽泡用 作色散原子濾波器，我們稱(chēng)為雙泡型；D、存在的問(wèn)題由于使用了雙原子蒸汽泡組合方式， 復(fù)雜化了裝置。
3)為了克服上述雙泡型喇曼光放大的原子濾波方法中存在的問(wèn)題，我們?cè)诎l(fā)明專(zhuān) 利申請(qǐng)“集合式拉曼增強(qiáng)原子蒸汽濾波信號(hào)方法與裝置”[孫獻(xiàn)平，譚政，羅軍，詹明生.，中 國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?00910273490. 1]中實(shí)現(xiàn)了一種新方法，A、技術(shù)方案——使用單個(gè)蒸汽 泡，即用作喇曼光放大，也用作原子濾波；B、其原理是當(dāng)耦合光與微弱信號(hào)光傳輸通過(guò)單個(gè) 蒸汽泡前一部分時(shí)，其的部分放置于磁場(chǎng)里)，能夠滿(mǎn)足原子受激拉曼增益條件，而通過(guò)蒸 汽泡后一部分時(shí)，因?yàn)橥饷婕佑写艌?chǎng)，又能滿(mǎn)足原子蒸汽的法拉第反常色散條件，達(dá)到喇曼 光放大和色散原子濾波由一個(gè)蒸汽泡實(shí)現(xiàn)；C、其結(jié)構(gòu)是在一個(gè)原子蒸汽泡外面部分地加 有磁場(chǎng)，信號(hào)光入射好出射蒸汽泡的兩端放置有偏振面相互垂直的格蘭棱鏡；D、存在的問(wèn) 題盡管單泡型方法簡(jiǎn)化了雙泡型喇曼光放大的原子濾波的裝置，獲得了增益因子大于10 倍的光放大信號(hào)。與色散原子濾波器相比，保持了高抑制比等特性，但是，其濾波透射峰的 線寬減窄的不理想，仍然需要進(jìn)一步地改進(jìn)。另外，對(duì)于效率提高、性能改進(jìn)、應(yīng)用更廣泛的目的，發(fā)展全新方法的超窄帶寬原 子濾波總是迫切的需求。而且，隨著量子信息技術(shù)的發(fā)展，在光速調(diào)控以及量子存儲(chǔ)等領(lǐng)域 也需要一種不同于色散型濾波器的、工作頻率可以調(diào)諧至原子共振頻率的超窄帶寬原子濾 波方法和裝置。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在于提供了一種基于量子相干誘導(dǎo)旋光效應(yīng)的原子濾波方法。方 法易行，具有超窄帶寬，頻率調(diào)諧快速、簡(jiǎn)易的特點(diǎn)。與其它激光光泵型原子濾波器相比，由 于本發(fā)明利用量子相干誘導(dǎo)旋光效應(yīng)，極大減少了原子介質(zhì)對(duì)信號(hào)光的吸收，因此，獲得較 高的濾波信號(hào)透射率。本發(fā)明的另一個(gè)目的是在于提供了一種基于量子相干誘導(dǎo)旋光效應(yīng)的原子濾波 的裝置。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)一體化、操作方便，獲得了 IOMHz超窄帶寬原子濾波透射峰，其接 近于Rb原子自然帶寬，僅僅由于使用的商用激光器線寬所限制；也具有濾波工作波長(zhǎng)在幾 倍原子多普勒線寬范圍內(nèi)可高速調(diào)節(jié)、低功率耦合激光等特點(diǎn)，更具有實(shí)用性。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)措施本發(fā)明提出在一個(gè)原子池里利用量子相干誘導(dǎo)旋光效應(yīng)實(shí)現(xiàn) IOMHz超窄帶寬 原子濾波。使用弱光或者光子水平的信號(hào)光與耦合激光相交合束照射原子池，產(chǎn)生原子不 同躍遷之間的量子相干干涉，即電磁誘導(dǎo)透明，使信號(hào)光(弱光或者光子信號(hào))在相干原子 介質(zhì)里的吸收減少，從而顯著提高透過(guò)率。在電磁誘導(dǎo)透明情況下，信號(hào)光(弱光或者光子 信號(hào))透射譜具有超窄帶寬和高透過(guò)率等特性。本發(fā)明在原子池前后的信號(hào)光(弱光或者 光子信號(hào))光路上放置了一對(duì)格蘭棱鏡，用于抑制原子濾波通帶外不滿(mǎn)足電磁誘導(dǎo)透明條 件而未發(fā)生旋光效應(yīng)的光噪聲，原子池前的格蘭棱鏡用于控制、調(diào)節(jié)信號(hào)光(弱光或者光 子信號(hào))的偏振；偏振分束器和λ/4波片用于調(diào)節(jié)耦合激光為左旋圓偏振。在原子簡(jiǎn)并磁 子能級(jí)結(jié)構(gòu)中，當(dāng)滿(mǎn)足電磁誘導(dǎo)透明發(fā)生的條件時(shí)，圓偏振耦合光與線偏振信號(hào)光(弱光 或者光子信號(hào))兩種圓偏振成分分別構(gòu)成Λ構(gòu)型電磁誘導(dǎo)透明子系統(tǒng)的不對(duì)稱(chēng)性以及不 同磁子能級(jí)躍遷強(qiáng)度的差別，造成信號(hào)光(弱光或者光子信號(hào))的兩種不同圓偏振成分在 原子介質(zhì)中折射率的差異，從而導(dǎo)致線偏振信號(hào)光(弱光或者光子信號(hào))的偏振面發(fā)生旋 轉(zhuǎn)。信號(hào)光出射原子池后，由位于后面的格蘭棱鏡進(jìn)行光學(xué)選擇偏振，相繼通過(guò)光電探測(cè)或者光子計(jì)數(shù)獲得原子濾波透射譜。同時(shí)，由于耦合激光的散射光和通帶外的寬頻譜背景光 不滿(mǎn)足量子相干誘導(dǎo)旋光條件，其偏振方向未發(fā)生變化，不能傳輸通過(guò)光學(xué)選擇偏振的格 蘭棱鏡，而被抑制。本發(fā)明提供一種基于量子相干誘導(dǎo)旋光效應(yīng)的原子濾波(方法和裝置)，利用該 發(fā)明的超窄帶濾波特性，在自由空間量子通信系統(tǒng)中可以極大地降低通信過(guò)程中由背景光 噪聲引起的誤碼率，以保證安全密鑰的生成效率。相比于現(xiàn)有的原子濾波方法(例如， GHz帶寬工作的法拉第反常色散原子濾波器)，本發(fā)明具有更加優(yōu)越的濾波特性 IOMHz 量級(jí)的超窄帶寬原子濾波和大于33%的透過(guò)率。本發(fā)明也可以用于遠(yuǎn)距離經(jīng)典大氣激光通 信，熒光型激光雷達(dá)等系統(tǒng)中，或者應(yīng)用于制作光存儲(chǔ)器、高頻光子計(jì)數(shù)器和光子開(kāi)關(guān)等量 子器件。-基于量子相干誘導(dǎo)旋光效應(yīng)的原子濾波的方法，其步驟是(a)使用一個(gè)充有堿金屬原子的原子池，其由里到外依次裝有加熱線圈、保溫筒、 磁屏蔽室。一束圓偏振的耦合激光照射在原子池上；(b) 一束豎直線偏振的信號(hào)光(弱光或者光子信號(hào))傳輸在原子池里與耦合激光 相交合束；(c)圓偏振耦合光與線偏振信號(hào)光(弱光或者光子信號(hào))的兩種圓偏振成分構(gòu)成 的Λ構(gòu)型電磁誘導(dǎo)透明子系統(tǒng)的不對(duì)稱(chēng)性以及磁子能級(jí)躍遷強(qiáng)度的差別，造成信號(hào)光(弱 光或者光子信號(hào))的兩種不同圓偏振成分在原子介質(zhì)中折射率的差異，從而導(dǎo)致線偏振信 號(hào)光(弱光或者光子信號(hào))的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，即量子相干誘導(dǎo)旋光效應(yīng)；(d)相繼，耦合激光與信號(hào)光(弱光或者光子信號(hào))分束并出射到原子池外；(e)在信號(hào)光(弱光或者光子信號(hào))光路上利用光學(xué)選擇偏振方法分析信號(hào)光 (弱光或者光子信號(hào))，同時(shí)，抑制耦合激光的散射光和濾波通帶外寬頻譜背景光；(f)最終由光電探測(cè)或者光子計(jì)數(shù)方式測(cè)量獲得原子濾波信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)上述基于量子相干誘導(dǎo)旋光效應(yīng)的原子濾波方法，本發(fā)明采用了基于量 子相干誘導(dǎo)旋光效應(yīng)的原子濾波裝置，該裝置包括暗盒、激光鎖頻電路單元、兩個(gè)λ/2波 片、兩個(gè)偏振分束器、λ /4波片、數(shù)顯溫控器、磁屏蔽室、兩個(gè)格蘭棱鏡、光探測(cè)器、半導(dǎo)體激 光器、反射鏡、加熱絲、原子池、保溫筒、可調(diào)光衰減片、孔徑可調(diào)光闌、準(zhǔn)直鏡、擋光板。其特 征在于本發(fā)明裝置全部集成在一個(gè)暗盒里，激光鎖頻電路單元與半導(dǎo)體激光器相連，穩(wěn)頻 的半導(dǎo)體激光器發(fā)射出耦合激光與第一 λ/2波片相連，耦合激光傳輸通過(guò)第一 λ/2波片、 第一偏振分束器、λ/4波片、原子池、與擋光板相連，信號(hào)光(弱光或者光子信號(hào))入射傳輸 通過(guò)安裝在暗盒上的準(zhǔn)直鏡、孔徑可調(diào)光闌的小孔、與可調(diào)光衰減片相連，信號(hào)光(弱光或 者光子信號(hào))傳輸通過(guò)可調(diào)光衰減片、第二 λ/2波片、第二偏振分束器、反射鏡、第二格蘭 棱鏡、原子池后，由于量子相干誘導(dǎo)旋光效應(yīng)使得信號(hào)光(弱光或者光子信號(hào))偏振面發(fā)生 旋轉(zhuǎn)，相繼，偏振方向發(fā)生改變后的信號(hào)光(弱光或者光子信號(hào))傳輸通過(guò)第一格蘭棱鏡、 與光探測(cè)器相連接，數(shù)顯溫控器與加熱絲相連，控制加熱絲中電流的開(kāi)和關(guān)，磁屏蔽室位于 保溫筒、加熱絲、原子池的外面，保證原子池中原子工作不受地磁場(chǎng)影響，保溫筒位于加熱 絲、原子池外，用于保證原子池內(nèi)的工作溫度，擋光板遮擋出射原子池的耦合激光，減少耦 合激光散射光對(duì)系統(tǒng)的影響。所述的耦合激光由激光鎖頻電路單元進(jìn)行頻率鎖定于原子的超精細(xì)躍遷上，其偏振方向調(diào)節(jié)為左旋圓偏振。耦合激光沿著原子池光軸傳輸，在原子池中心與信號(hào)光(弱光 或者光子信號(hào))相交合束并同向傳播，并在原子池外分束。所述的信號(hào)光(弱光或者光子信號(hào))調(diào)節(jié)為垂直線偏振的，與耦合激光以 0.1° "1°的小角度傳輸通過(guò)原子池、第一格蘭棱鏡，到達(dá)光探測(cè)器。所述的第一格蘭棱鏡與第二格蘭棱鏡的光軸同心放置，第一格蘭棱鏡設(shè)置與出射 原子池的信號(hào)光的偏振角度一致。所述的原子池內(nèi)原子為堿原子，其外部由里到外依次裝有加熱絲、保溫筒、磁屏蔽室。本發(fā)明-基于量子相干誘導(dǎo)旋光效應(yīng)的原子濾波的具體技術(shù)方案如下(A)本發(fā)明裝置主要由暗盒、激光鎖頻電路單元、兩個(gè)λ/2波片、兩個(gè)偏振分束 器、λ /4波片、數(shù)顯溫控器、磁屏蔽室、兩個(gè)格蘭棱鏡、光探測(cè)器、半導(dǎo)體激光器、反射鏡、加 熱絲、原子池、保溫筒、可調(diào)光衰減片、孔徑可調(diào)光闌、準(zhǔn)直鏡、擋光板組成。(B)穩(wěn)頻的耦合激光通過(guò)第一 λ /2波片、第一偏振分束器和λ /4波片后，與信號(hào) 光(弱光或光子信號(hào))以一個(gè)小的夾角共同入射到原子池內(nèi)，在原子池內(nèi)相交合束。耦合 激光出射原子池之后，被表面發(fā)黑的擋光板遮擋。(C)信號(hào)光(弱光或光子信號(hào))入射依次通過(guò)準(zhǔn)直鏡、孔徑可調(diào)光闌的小孔、可 調(diào)光衰減片、第二 λ /2波片和第二偏振分束器，經(jīng)由反射鏡改變方向傳輸通過(guò)第二格蘭棱 鏡，原子池以及第一格蘭棱鏡后由光電探測(cè)器進(jìn)行測(cè)量。(D)本發(fā)明裝置的原子池，纏繞有加熱絲，放置在保溫筒里，最外面是磁屏蔽室。原 子池內(nèi)原子介質(zhì)的工作溫度通過(guò)數(shù)顯溫控器來(lái)控制和顯示。(E)入射到本發(fā)明裝置里的信號(hào)光(弱光或光子信號(hào))功率范圍從光子計(jì)數(shù)水平 到mW量級(jí)，進(jìn)入原子池前，由第二格蘭棱鏡選擇為豎直線偏振。(F)耦合激光的功率范圍為μ W量級(jí)到100mW，耦合激光與信號(hào)光(弱光或光子信 號(hào))以小角度在原子池內(nèi)相交合束。(G)原子介質(zhì)在左旋圓偏振的耦合激光照射下發(fā)生極化，使得與耦合激光共同滿(mǎn) 足雙光子共振條件的線偏振信號(hào)光(弱光或光子信號(hào))的兩種圓偏振成分產(chǎn)生不同折射 率，信號(hào)光在原子介質(zhì)中傳輸一段距離后，其偏振面會(huì)發(fā)生一定角度的旋轉(zhuǎn)。因此，出射原 子池后可以傳輸通過(guò)光學(xué)選擇偏振的第一格蘭棱鏡，而頻率位于濾波通帶外的背景光以及 耦合光的散射光由于偏振方向未發(fā)生改變，則被第一格蘭棱鏡抑制。使用本發(fā)明-基于量 子相干誘導(dǎo)旋光效應(yīng)的原子濾波方法與裝置獲得的實(shí)驗(yàn)透過(guò)譜如圖3所示，最大透射率大 于33%，帶寬 IOMHz。本發(fā)明-基于相干誘導(dǎo)旋光的原子濾波裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)利用了電磁誘導(dǎo)透明效應(yīng)，減少原子池中原子介質(zhì)對(duì)信號(hào)光(弱光或光子信 號(hào))的吸收，達(dá)到了大于33%的濾波透射率。透過(guò)率與原子介質(zhì)的數(shù)密度、耦合激光的光功
率等參數(shù)有關(guān)。(2)實(shí)驗(yàn)演示表明在整個(gè)濾波頻率調(diào)節(jié)過(guò)程中，獲得小于20MHz的超窄原子濾波 帶寬，最窄為 10MHz，接近于原子的自然線寬。(3)本發(fā)明-基于量子相干誘導(dǎo)旋光效應(yīng)的原子濾波透射峰調(diào)諧在原子多普勒吸 收峰范圍內(nèi)，不同于傳統(tǒng)色散型濾波方法中透射峰遠(yuǎn)離原子共振頻率，因此，具有更加廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。(4)使用較小功率的耦合光(< 20mW)方便地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明-基于量子相干誘導(dǎo)旋 光效應(yīng)的原子濾波；信號(hào)光的功率范圍為單光子水平到mW量級(jí)。(5)可在幾倍于原子多普勒帶寬范圍內(nèi)( 2GHz)通過(guò)調(diào)節(jié)耦合光頻率可實(shí)現(xiàn)原 子濾波透過(guò)峰的快速頻率調(diào)諧；與現(xiàn)有色散型原子濾波相比，本發(fā)明具有超窄帶寬，頻率調(diào)諧簡(jiǎn)易、快速的特點(diǎn)。 與其它激光光泵型原子濾波器相比，由于本發(fā)明利用量子相干誘導(dǎo)旋光效應(yīng)，極大減少了 原子介質(zhì)對(duì)信號(hào)光的吸收，因此，獲得較高的濾波信號(hào)透射率。本發(fā)明提供的基于量子相干誘導(dǎo)旋光效應(yīng)的原子濾波(方法和裝置)能有效地用 于在強(qiáng)的、寬頻譜背景光(例如日光)條件下接收弱光或者光子信號(hào)，進(jìn)一步提高了信噪比 和信號(hào)探測(cè)靈敏度，在自由空間量子通信、遠(yuǎn)距離大氣激光通信、熒光型激光雷達(dá)領(lǐng)域都具 有廣泛的應(yīng)用前景，也可應(yīng)用于建立光儲(chǔ)存器、快速光開(kāi)關(guān)或者光子計(jì)數(shù)器等量子器件。
圖1為一種基于量子相干旋光效應(yīng)的原子濾波實(shí)驗(yàn)演示中的Rb原子能級(jí)示意圖。圖中耦合激光激發(fā)原子池中Rb原子5S1/2(F = 2) — 5P1/2(F' = 2)躍遷，信號(hào)光 的兩種圓偏振成份σ +和σ _作用于Rb原子5S1/2(F = 1) — 5P1/2(F' = 2)躍遷。利用在 簡(jiǎn)并磁子能級(jí)結(jié)構(gòu)中圓偏振耦合光與線偏振探測(cè)光構(gòu)成的Λ構(gòu)型電磁誘導(dǎo)透明子系統(tǒng)的 不對(duì)稱(chēng)性、以及不同磁子能級(jí)躍遷強(qiáng)度的不同，造成探測(cè)光的兩種不同圓偏振成分在介質(zhì) 中折射率的差異，從而導(dǎo)致線偏振探測(cè)光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)。根據(jù)這種量子相干誘導(dǎo)旋光 效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明超窄帶寬可調(diào)諧原子濾波。圖2為一個(gè)實(shí)驗(yàn)演示原子介質(zhì)電磁誘導(dǎo)透明測(cè)量獲得的譜圖。淺黑色譜線是原子多普勒吸收峰，用作波長(zhǎng)的標(biāo)定與參考。深黑色譜線是基于圖 1給出的原子能級(jí)結(jié)構(gòu)條件下，當(dāng)耦合光與信號(hào)光同為正交的線偏振光時(shí)，作為研究檢驗(yàn)測(cè) 量獲得的原子介質(zhì)電磁誘導(dǎo)透明譜線。此時(shí)，由于耦合激光的超精細(xì)能級(jí)光泵的作用，信號(hào) 光對(duì)應(yīng)于Rb原子5S1/2(F = 1) — 5P1/2(F' = 2)躍遷的強(qiáng)度會(huì)增大。圖3為一個(gè)實(shí)驗(yàn)演示獲得本發(fā)明基于量子相干旋光效應(yīng)的原子濾波的測(cè)量譜上面的譜線為Rb原子Dl線多普勒吸收峰，用于標(biāo)定信號(hào)光的頻率掃描范圍。圖 下面的譜線是使用本發(fā)明裝置獲得的原子濾波透射譜，透過(guò)峰的最小帶寬為 10MHz，透過(guò) 率為33%。當(dāng)改變耦合光的頻率時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)透過(guò)峰在幾倍多普勒線寬范圍內(nèi)調(diào)諧。圖4為一種基于量子相干旋光效應(yīng)的原子濾波裝置的示意圖。其中暗盒1、激光鎖頻電路單元2、第一 λ /2波片3、第一偏振分束器4、λ /4波片 5、數(shù)顯溫控器6、磁屏蔽室7、第一格蘭棱鏡8、光探測(cè)器9、半導(dǎo)體激光器10、第二格蘭棱鏡 11、反射鏡12、第二偏振分束器13、第二 λ/2波片14、加熱絲15、原子池16、保溫筒17、耦 合激光18、可調(diào)光衰減片19、孔徑可調(diào)光闌20、準(zhǔn)直鏡21、信號(hào)光22、擋光板23。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。首先描述本發(fā)明各部件的材料、形狀和結(jié)構(gòu)
a)暗盒1由鋁板材料制作的長(zhǎng)方形盒，內(nèi)由化學(xué)發(fā)黑處理，部件安裝固定螺絲孔 全部為盲孔，本發(fā)明裝置工作時(shí)，除從暗盒1上安裝的準(zhǔn)直鏡21里伴隨信號(hào)光22進(jìn)入的散 射光之外，其它方向外界光不會(huì)進(jìn)入；b)激光鎖頻電路單元2，公司和型號(hào)為T(mén)optica-LIR-110，用于對(duì)產(chǎn)生耦合激光18 的半導(dǎo)體激光器10 (公司和型號(hào)為T(mén)optica-DL-100)的頻率進(jìn)行鎖定；c)第一入/2波片3，為&)1!吐6壯-45-7184半波片，用于改變耦合激光的偏振方 向。d)第一偏振分束器4，公司和型號(hào)為Coheren-44-4505，用于選擇透過(guò)某一偏振的 激光，并與第一 λ /2波片配合調(diào)節(jié)耦合激光18的功率。e) λ /4波片5，為Coherent 45-7002四分之一波片，用于將豎直線偏振的耦合激 光18變?yōu)樽笮龍A偏振。f)數(shù)顯溫控器6，公司和型號(hào)為0MR0N-E5CN，用于對(duì)原子池16進(jìn)行溫度測(cè)量、控制 與顯示，以保證原子介質(zhì)工作的原子數(shù)密度；g)磁屏蔽室7由一層或者多層薄膜合金材料制作，圓柱形設(shè)計(jì)，尺寸是根據(jù)保溫 筒17的大小而確定的；保證原子池16里原子介質(zhì)工作在一個(gè)不受外界磁場(chǎng)影響的環(huán)境里。h)第一格蘭棱鏡8，公司和型號(hào)為Coherent-43-6782，用于信號(hào)光(弱光或者光子 信號(hào))22的偏振選擇。i)光探測(cè)器9是對(duì)于光探測(cè)方式的不同而選擇的，在光電探測(cè)方式時(shí)使用光二 極管(公司和型號(hào)HamamatSu-S5821)、光電倍增管(公司和型號(hào)卓立漢光-PMTH-Sl R5108)等，在光子計(jì)數(shù)方式時(shí)使用單光子計(jì)數(shù)模塊(公司和型號(hào)EG&G-SPCM-AQ-14Y)加上 NI-PCI-6602計(jì)數(shù)/定時(shí)器板卡等；j)半導(dǎo)體激光器10是一個(gè)購(gòu)買(mǎi)的商業(yè)器件或者自制器件，在申請(qǐng)人的實(shí)驗(yàn)演示 中使用了 Toptica-DL-100激光器，795nm工作波長(zhǎng)， MHz量級(jí)的激光線寬；k)第二格蘭棱鏡11，公司和型號(hào)為Coherent-43-6782，用于選擇偏振的信號(hào)光 22。1)反射鏡12，在中科院合肥物資科學(xué)研究院定制，鍍795nm波長(zhǎng)介質(zhì)反射膜，用于 改變信號(hào)光(弱光或者光子信號(hào))22的傳輸方向。m)第二偏振分束器13，公司和型號(hào)為Coherent-44-4505，用于選擇傳輸某一偏振 的激光，并與置于其前的第二 λ/2波片14 (公司和型號(hào)Coherent-45-7184)配合調(diào)節(jié)信 號(hào)光(弱光或者光子信號(hào))22的功率。η)第二 λ /2波片14，為Coherent-45-7184半波片，用于改變信號(hào)光(弱光或者 光子信號(hào))22的偏振方向。ο)加熱絲15為使用康銅絲自制成鎧裝雙繞型，環(huán)繞在原子池16外面，用來(lái)對(duì)原子 池16進(jìn)行溫控以改變?cè)訑?shù)密度；由數(shù)顯溫控器6對(duì)其進(jìn)行開(kāi)關(guān)、控制。ρ)原子池16根據(jù)選擇的原子介質(zhì)類(lèi)型而確定，由派瑞克斯玻璃、95玻璃、石英玻 璃或者不銹鋼制作，形狀為圓柱、方形或者長(zhǎng)方形；入射和出射端窗為相互平行的平板玻 璃；根據(jù)濾波波長(zhǎng)的需要，原子池內(nèi)充有波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的堿金屬。q)保溫筒17是依照原子池16確定其結(jié)構(gòu)的，使用聚四氟乙烯塑料或者環(huán)氧樹(shù)脂 材料制作。
r)耦合激光18，在實(shí)驗(yàn)演示中使用的是Toptica-DL-lOO半導(dǎo)體激光器10產(chǎn)生， 工作波長(zhǎng)為795nm，線寬為MHz量級(jí)。s)可調(diào)光衰減片19，在實(shí)驗(yàn)演示中使用Coherent公司生產(chǎn)的可調(diào)中性密度衰減 片。t)孔徑可調(diào)光闌20用于空間濾波、信號(hào)光束大小調(diào)節(jié)。u)準(zhǔn)直鏡21，使用多個(gè)光學(xué)鏡片組合自制，用于接收信號(hào)光，并且能夠較大范圍 的調(diào)節(jié)、聚焦信號(hào)光(弱光或者光子信號(hào))22。ν)信號(hào)光(弱光或者光子信號(hào))22，在實(shí)驗(yàn)演示中使用Toptica-DL-100半導(dǎo)體激 光器10產(chǎn)生，795nm的工作波長(zhǎng)，MHz量級(jí)的線寬， 幾十GHz的掃描范圍。w)擋光板23，使用化學(xué)發(fā)黑的鋁板制作，用于阻擋傳輸通過(guò)原子池22的耦合激光 18，防止其散射光對(duì)于系統(tǒng)的影響。以上各零部件均能由本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員制備或市場(chǎng)購(gòu)置?！N基于量子相干誘導(dǎo)旋光效應(yīng)的原子濾波裝置，它包括暗盒1、激光鎖頻電路單 元2、第一、第二 λ /2波片3、14、第一、第二偏振分束器4、13、λ /4波片5、數(shù)顯溫控器6、磁 屏蔽室7、第一、第二格蘭棱鏡8、11、光探測(cè)器9、半導(dǎo)體激光器10、反射鏡12、加熱絲15、原 子池16、保溫筒17、可調(diào)光衰減片19、孔徑可調(diào)光闌20、準(zhǔn)直鏡21、擋光板23。其連接關(guān)系 是本發(fā)明裝置的所有零部件全部放置在一個(gè)暗盒1里，激光鎖頻電路單元2與半導(dǎo)體激光 器10相連，穩(wěn)頻的半導(dǎo)體激光器10產(chǎn)生的耦合激光與第一 λ /2波片3相連，耦合激光傳 輸通過(guò)第一 λ/2波片3、第一偏振分束器4、λ/4波片5、原子池16、與擋光板23相連，信 號(hào)光(弱光或者光子信號(hào))從安裝在暗盒1上的準(zhǔn)直鏡入射，傳輸通過(guò)準(zhǔn)直鏡21、孔徑可 調(diào)光闌的小孔、與可調(diào)光衰減片19相連，信號(hào)光22(弱光或者光子信號(hào))傳輸通過(guò)可調(diào)光 衰減片19、第二 λ /2波片14、第二偏振分束器13、反射鏡12、第二格蘭棱鏡11、原子池16 后，由于量子相干誘導(dǎo)旋光效應(yīng)使得信號(hào)光22 (弱光或者光子信號(hào))的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，相 繼，偏振旋轉(zhuǎn)后的信號(hào)光22 (弱光或者光子信號(hào))傳輸穿過(guò)第一格蘭棱鏡8、與光探測(cè)器9 相連接，數(shù)顯溫控器6與加熱絲15相連，控制加熱絲15中電流的開(kāi)和關(guān)，磁屏蔽室7位于 保溫筒17、加熱絲15、原子池16的外面，保證原子池原子處于極弱磁場(chǎng)內(nèi)，保溫筒17位于 加熱絲15、原子池16外，保證原子池16的原子工作密度，擋光板23遮擋耦合激光，減少耦 合激光散射對(duì)系統(tǒng)的影響。所述的耦合激光18由激光鎖頻電路單元2將頻率鎖定于原子的超精細(xì)躍遷上，其 偏振方向調(diào)節(jié)為左旋圓偏振。耦合激光18沿著原子池16同心光軸傳輸，在原子池16中心 與信號(hào)光22相交合束并同向傳播，然后分束出射到原子池16外。所述的入射信號(hào)光22調(diào)節(jié)為垂直線偏振的，以與耦合激光18以0.1° -1°的小 角度傳輸通過(guò)原子池16、第一格蘭棱鏡8，到達(dá)光探測(cè)器9。所述的第一格蘭棱鏡8與第二格蘭棱鏡11的光軸同心放置，第一格蘭棱鏡8設(shè)置 與出射原子池16的信號(hào)光22的偏振角度一致。所述的原子池16內(nèi)原子范圍為堿原子，其外部由里到外依次裝有加熱絲15、保溫 筒17、磁屏蔽室7。本發(fā)明基于相干誘導(dǎo)旋光的原子濾波裝置的工作流程為信號(hào)光(弱光或光子信號(hào))22和耦合激光18同向傳輸入射原子池16。第一偏振分束器4和λ /4波片5選擇耦合激光18的偏振為左旋圓偏振；第二偏振分束器13和第二 格蘭棱鏡11保證信號(hào)光(弱光或光子信號(hào))22的偏振為豎直線偏振。通過(guò)調(diào)節(jié)反射鏡12 使信號(hào)光(弱光或光子信號(hào))22與耦合激光18以一個(gè)小的夾角入射原子池16，在其中心相 交合束，調(diào)節(jié)反射鏡12使信號(hào)光(弱光或光子信號(hào))22和耦合激光18在原子池16內(nèi)的交 疊距離盡量的長(zhǎng)。設(shè)置第一格蘭棱鏡8和第二格蘭棱鏡11的光軸形成一定角度，從而抑制 濾波通帶外的背景噪聲、耦合激光在原子池壁和原子介質(zhì)產(chǎn)生的散射光。本發(fā)明裝置實(shí)現(xiàn) 了超窄帶寬濾波，從背景噪聲中提取真實(shí)信號(hào)光(弱光或光子信號(hào))，濾波通帶之外的噪聲 抑制比達(dá)到 105。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明基于相干旋光的原子濾波方法作詳細(xì)說(shuō)明，其步驟是(a)由激光鎖頻電路單元2對(duì)半導(dǎo)體激光器10進(jìn)行穩(wěn)頻，半導(dǎo)體激光器10發(fā)射耦 合激光18，其經(jīng)過(guò)第一 λ/2波片3和偏振分束器4，以及λ/4波片5后調(diào)節(jié)為左旋圓偏振 的，照射原子池16。(b)使用的原子池16外加有磁屏蔽室7，位于屏蔽地磁的恒定微弱磁場(chǎng)里的原子 介質(zhì)被左旋圓偏振的耦合激光18照射后，原子介質(zhì)被極化。(c)信號(hào)光(弱光或者光子信號(hào))22經(jīng)過(guò)暗盒1上的準(zhǔn)直鏡21入射進(jìn)入本發(fā)明 裝置后，傳輸依次通過(guò)孔徑可調(diào)光闌20、可調(diào)光衰減片19、第二 λ/2波片14和第二偏振分 束器13，由反射鏡12改變光束傳輸方向，再經(jīng)過(guò)第二格蘭棱鏡11后變?yōu)樨Q直線偏振光，相 繼，入射到原子池16里。(d)豎直偏振的信號(hào)光(弱光或者光子信號(hào))22以一個(gè)與圓偏振的耦合激光18的 0.1° -1°夾角同向傳輸通過(guò)原子池16，并在原子介質(zhì)里相交合束。(e)當(dāng)信號(hào)光(弱光或者光子信號(hào))22和耦合激光18的頻率在原子介質(zhì)里滿(mǎn)足雙 光子共振條件時(shí)，由于量子相干誘導(dǎo)旋光效應(yīng)，信號(hào)光(弱光或者光子信號(hào))22的偏振面發(fā) 生旋轉(zhuǎn)。(f)最后，信號(hào)光(弱光或者光子信號(hào))22傳輸通過(guò)第一格蘭棱鏡8后，由光探測(cè) 器9進(jìn)行光電探測(cè)或者光子計(jì)數(shù)。由于耦合激光18的散射光和背景光偏振方向不滿(mǎn)足第 一格蘭棱鏡8的光學(xué)選擇偏振條件，在其過(guò)程中被第一格蘭棱鏡8抑制。而耦合激光18與 豎直偏振的信號(hào)光(弱光或者光子信號(hào))22之間有一個(gè)夾角，在原子池16里相交合束之后 分束，出射傳輸被涂黑的擋光板23阻擋。根據(jù)上述本發(fā)明方法，并以使用堿金屬銣(Rb)原子蒸汽為例，對(duì)本發(fā)明所提供的 基于量子相干旋光效應(yīng)的原子濾波(方法和裝置)作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。在實(shí)驗(yàn)演示中，本發(fā)明-基于量子相干誘導(dǎo)旋光效應(yīng)的原子濾波的所有組件一起 安裝在暗盒1里。激光鎖頻電路單元2將半導(dǎo)體激光器10發(fā)射的耦合激光18鎖定在選擇 的Rb原子譜線上，耦合激光18的帶寬為MHz量級(jí)，功率在O-IOOmW范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)，波長(zhǎng)調(diào) 諧在堿金屬銣(Rb)原子的Dl共振譜線795nm附近。第一 λ /2波片3和第二 λ /2波片14的工作波長(zhǎng)為795nm。分別用于改變耦合激 光18和信號(hào)光(弱光或者光子信號(hào))22的偏振方向。λ/4波片5使得耦合激光18調(diào)節(jié)為 左旋圓偏振的。第一偏振分束器4和第二偏振分束器13的透光面鍍有795nm增透膜，消光比為 1000 1，分別用于選擇偏振的耦合激光18和信號(hào)光(弱光或者光子信號(hào))22傳輸。
第一格蘭棱鏡8和第二格蘭棱鏡11的消光比為105，透光面鍍795nm增透膜，一束 工作在795nm波長(zhǎng)的信號(hào)光(弱光或者光子信號(hào))22傳輸從第二格蘭棱鏡11和第一格蘭 棱鏡8的軸心通過(guò)。反射鏡12為795nm鍍膜，調(diào)節(jié)其角度，使795nm的信號(hào)光(弱光或者光子信號(hào))22 準(zhǔn)確地入射原子池，在那里，豎直線偏振的信號(hào)光(弱光或者光子信號(hào))22與左旋圓偏振的 耦合激光18相交合束。實(shí)驗(yàn)演示中，原子池16里的Rb原子蒸汽作為旋光介質(zhì)，Rb原子的密度、磁場(chǎng)環(huán)境、 原子池的結(jié)構(gòu)等都會(huì)影響旋光效率。數(shù)顯溫控器6通過(guò)加熱絲15控制原子池16中工作的 Rb原子蒸汽密度，保溫筒17減少原子池16的熱損失，磁屏蔽室7保證了 Rb原子蒸汽工作 在一個(gè)要求的微弱磁場(chǎng)環(huán)境，使之不受地磁場(chǎng)的影響。原子池16的端面為平板玻璃熱熔貼 面且保持完全平行的圓柱形派萊克斯(Pyrex)玻璃泡，泡長(zhǎng)范圍為20mm-200mm，直徑范圍 為10mm-50mm，泡內(nèi)充有幾mg堿金屬銣(Rb)。調(diào)節(jié)孔徑可調(diào)光闌20的小孔大小，能夠?qū)θ肷涞男盘?hào)光(弱光或者光子信號(hào))22 的光束進(jìn)行整形。信號(hào)光(弱光或者光子信號(hào))22和耦合激光18同向傳輸照射在原子池7，在Rb原 子蒸汽里交叉合束，當(dāng)它們的頻率滿(mǎn)足雙光子共振條件時(shí)，由于量子相干誘導(dǎo)旋光效應(yīng)，信 號(hào)光(弱光或者光子信號(hào))22的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)。在原子池出射的信號(hào)光(弱光或者光子 信號(hào))22傳輸通過(guò)光學(xué)選擇偏振的第一格蘭棱鏡8，由響應(yīng)波長(zhǎng)包含795nm的光探測(cè)器進(jìn)行 光電轉(zhuǎn)換或者光子計(jì)數(shù)，獲得超窄帶寬的原子濾波透過(guò)峰，而耦合激光18的散射光和背景 光不滿(mǎn)足第一格蘭棱鏡8的光學(xué)選擇偏振條件，則被抑制。耦合激光18出射原子池后與信 號(hào)光(弱光或者光子信號(hào))22分束，最后達(dá)到擋光板23被阻擋。上述描述中均以堿金屬銣(Rb)原子濾波為例，在具體實(shí)施過(guò)程中，本發(fā)明涉及其 它堿金屬原子-鉀(K)、鈉(Na)和銫(Cs)，需要分別選擇相應(yīng)于堿原子譜線的激光鎖頻電 路單元、激光器、工作波長(zhǎng)鍍膜的光學(xué)器件、磁屏蔽室、原子池結(jié)構(gòu)器件、和原子數(shù)密度等參 數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種基于相干誘導(dǎo)旋光效應(yīng)的原子濾波的方法，其步驟是(a)使用一個(gè)充有堿金屬原子的原子池，由里到外依次裝有加熱絲、保溫筒、磁屏蔽室， 一束圓偏振的耦合激光照射在原子池上；(b)一束豎直線偏振的信號(hào)光入射傳輸在原子池里與耦合激光交叉合束；(c)圓偏振的耦合光與線偏振的信號(hào)光兩種圓偏振成分構(gòu)成的Λ構(gòu)型電磁誘導(dǎo)透明 子系統(tǒng)的不對(duì)稱(chēng)性以及磁子能級(jí)躍遷強(qiáng)度的差別，造成信號(hào)光的兩種不同圓偏振成分在 原子介質(zhì)中折射率的差異，導(dǎo)致線偏振信號(hào)光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，即量子相干誘導(dǎo)旋光效 應(yīng)；(d)相繼，耦合激光與信號(hào)光分束并出射到原子池外；(e)在信號(hào)光光路上利用光學(xué)選擇偏振方法分析信號(hào)光，同時(shí)，抑制耦合激光的散射光 和原子濾波通帶外的寬頻譜背景光；(f)最終由光電探測(cè)或者光子計(jì)數(shù)方式測(cè)量獲得原子濾波信號(hào)。
2.權(quán)利要求1所述的一種基于量子相干誘導(dǎo)旋光效應(yīng)的 原子濾波的裝置，它包括暗盒(1)、激光鎖頻電路單元(2)、第一 λ/2波片(3)、第一偏振分束器(4)、數(shù)顯溫控器(6)、半導(dǎo)體激光器(10)、原子池(16)、擋 光板(23)，其特征在于所有另部件全部放置在暗盒(1)里，激光鎖頻電路單元(2)與半導(dǎo) 體激光器(10)相連，穩(wěn)頻的半導(dǎo)體激光器(10)發(fā)射出耦合激光(18)與第一波片(3) 相連，耦合激光(18)傳輸依次通過(guò)第一Α/2波片(3)、第一偏振分束器(4)、λ/4波片(5)、 原子池(16)、與擋光板(23)相連，信號(hào)光(22)由安裝在暗盒(1)上的準(zhǔn)直鏡(21)入射，傳 輸通過(guò)準(zhǔn)直鏡(21)、孔徑可調(diào)光闌(20)的小孔、與可調(diào)光衰減片(19)相連，信號(hào)光(22)傳 輸依次通過(guò)可調(diào)光衰減片(19)、第二；1/2波片(14)、第二偏振分束器(13)、反射鏡(12)、第 二格蘭棱鏡(11)后，入射到原子池(16)，偏振方向發(fā)生改變后的信號(hào)光(22)傳輸通過(guò)原子 池(16)里的原子介質(zhì)、第一格蘭棱鏡(8)、與光探測(cè)器(9)相連接，數(shù)顯溫控器(6)與加熱絲 (15)相連，磁屏蔽室(7)位于保溫筒(17)、加熱絲(15)、原子池(16)的外面，保溫筒(17)位 于加熱絲(15)、原子池(16)外。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于量子相干誘導(dǎo)旋光效應(yīng)的原子濾波的裝置，其特征 在于所述的耦合激光(18)由激光鎖頻電路單元(2)將頻率鎖定于原子的超精細(xì)躍遷上， 其偏振方向調(diào)節(jié)為左旋圓偏振。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于量子相干誘導(dǎo)旋光效應(yīng)的原子濾波的裝置，其特征 在于所述的入射信號(hào)光(22)調(diào)節(jié)為垂直線偏振，以與耦合激光(18)以0. I0-I0的角度。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于量子相干誘導(dǎo)旋光效應(yīng)的原子濾波的裝置，其特征 在于所述的第一格蘭棱鏡(8)與第二格蘭棱鏡(11)的光軸同心放置，第一格蘭棱鏡(8)設(shè) 置與出射原子池(16)的信號(hào)光(22)的偏振角度一致。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于量子相干誘導(dǎo)旋光效應(yīng)的原子濾波的裝置，其特征 在于所述的原子池(16)內(nèi)原子范圍為堿原子，其外部由里到外依次裝有加熱絲(15)、保 溫筒(17)、磁屏蔽室(7)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種基于量子相干誘導(dǎo)旋光效應(yīng)的原子濾波方法及裝置，其步驟(a)耦合激光照射原子池；(b)信號(hào)光在原子池里與耦合激光交叉合束；(c)與原子介質(zhì)相互作用導(dǎo)致信號(hào)光偏振面旋轉(zhuǎn)；(d)耦合激光與信號(hào)光分束并出射到原子池外；(e)光學(xué)選偏方法分析信號(hào)光；(f)獲得濾波信號(hào)。半導(dǎo)體激光器與激光鎖頻電路單元相連，發(fā)射的耦合激光通過(guò)波片、偏振分束器、波片、原子池、與擋光板相連，信號(hào)光通過(guò)可調(diào)光衰減片、波片、偏振分束器、反射鏡、格蘭棱鏡、原子池，由量子相干誘導(dǎo)旋光后再傳輸通過(guò)格蘭棱鏡、與光探測(cè)器相連，磁屏蔽室位于保溫筒、加熱絲、原子池外。方法易行，具有超窄帶寬，頻率快速調(diào)諧，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，更具有實(shí)用性。
文檔編號(hào)G02F1/09GK102147538SQ20111007138
公開(kāi)日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2011年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月24日
發(fā)明者周欣, 孫獻(xiàn)平, 羅軍, 詹明生, 譚政 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所