本發明屬于微波測量,涉及一種基于耗散誘導的里德堡原子高效率泵浦系統及方法。
背景技術:
1、里德堡原子是利用激光操控核外一個電子泵浦到高激發態的原子,一般通過雙光子過程將原子泵浦到主量子數n大于20的能級上,此時殼層電子距離原子核較遠,所以原子核與該電子形成較大的電偶極矩,因此里德堡原子對頻率共振的微波電場具有極高靈敏度。通過控制里德堡原子主量子數的變化,可以實現對頻率范圍從khz到thz的微波測量。相對于傳統微波接收系統,里德堡原子與微波信號耦合過程中,不受微波波長限制,因此里德堡原子在微波測量領域具有巨大應用潛力。
2、現有的里德堡原子泵浦方案中,考慮到原子泵浦效率等因素,一般選擇單路徑雙光子泵浦方案,但是在利用單光子共振且雙光子共振激發里德堡原子態的過程中,原子穩態建立時間、里德堡態原子壽命、以及原子泵浦效率等限制因素,會降低單位體積內里德堡原子數密度,從而限制里德堡原子微波測量系統的測量靈敏度。
技術實現思路
1、本發明解決的技術問題是:克服現有技術的不足,提出一種基于耗散誘導的里德堡原子高效率泵浦系統及方法。
2、本發明解決技術的方案是:
3、一種基于耗散誘導的里德堡原子高效率泵浦系統,包括:第一激光器、第二激光器、含有堿金屬原子的玻璃氣室、加熱板、第一分束棱鏡、第一聲光調制器、第二聲光調制器、第二分束棱鏡、第一平面高反鏡、第二平面高反鏡、壓電陶瓷高反鏡、第一長波通鏡、第二長波通鏡、第一平衡探測器、第二平衡探測器、第三分束棱鏡、第一電光調制器、第二電光調制器、光學垃圾桶、鎖相激光器、第四分束棱鏡、第五分束棱鏡;
4、含有堿金屬原子的玻璃氣室位于兩個加熱板之間,加熱板通電后為原子氣室增溫;第一激光器發射連續激光,所述連續激光被第一分束棱鏡分成兩束,其中一束激光經過第一分束棱鏡透射,再經過第一聲光調制器移頻,作為探測光使用;另一束激光被第二分束棱鏡再次分成兩束,其中一束經過第一平面高反鏡反射后被第二聲光調制器移頻,作為泵浦光使用;另一束被第二分束棱鏡反射后直接用作參考光使用;探測光、泵浦光、參考光三束激光空間平行,經過第一平面高反鏡和壓電陶瓷高反鏡反射成與加熱板平行的三束光,經第一長波通鏡透射后從一側進入玻璃氣室;
5、鎖相激光器發射連續鎖相激光,所述連續激光被第四分束棱鏡分成兩束,其中一束鎖相激光在空間中所經過的路徑與探測光路徑相同,經過第一平面高反鏡和壓電陶瓷高反鏡反射后與加熱板平行,從一側進入玻璃氣室,穿過玻璃氣室后與另外一束鎖相激光經過第五分束棱鏡合束拍頻,利用第二平衡探測器接收拍頻信號,所述拍頻信號用于獲得鎖相信號,所述鎖相信號輸入到壓電陶瓷高反鏡,實現對探測光、泵浦光和參考光的路徑鎖定,同時實現對探測光和泵浦光的相位精準控制和鎖定;
6、第二激光器發射連續激光,所述連續激光經過第三分束棱鏡被分成兩束,其中一束經過第三分束棱鏡透射后被第二平面高反鏡反射,經過第一電光調制器調制后,作為第一耦合光使用;另一束經過第三分束棱鏡反射后被第二電光調制器調制后,作為第二耦合光使用;第一耦合光和第二耦合光經過第二長波通鏡反射,從另一側進入玻璃氣室,且第一耦合光與探測光重合,第二耦合光與泵浦光重合;第一耦合光和第二耦合光與原子發生相互作用后,經過第一長波通鏡反射,被光學垃圾桶接收。
7、第一平衡探測器用于收集探測光和參考光光路,獲得電磁誘導透明透射光譜和里德堡原子數密度。
8、優選的,第一激光器的頻率鎖定于原子的基態能級到激發態能級躍遷共振頻率;
9、所述探測光是經過第一聲光調制器藍失諧移頻得到的,且滿足大失諧條件,即失諧頻率遠遠大于拉比頻率;
10、所述泵浦光是經過第二聲光調制器紅失諧移頻得到的,且滿足大失諧條件,即失諧頻率遠遠大于拉比頻率。
11、優選的,所述泵浦光、參考光和探測光的光功率強度均為80μw,束腰直徑為600μm的高斯光束。
12、優選的,第二激光器的頻率鎖定于原子的激發態能級到里德堡態能級躍遷共振頻率;
13、第二激光器發射連續激光,所述連續激光經過第三分束棱鏡被分成兩束,其中一束經過第三分束棱鏡透射后被第二平面高反鏡反射至第一電光調制器,第一電光調制器對透射激光頻率進行移頻,移至與探測光雙光子共振頻率,并以該頻率為中心頻率掃頻±100mhz,將其作為第一耦合光使用,另一束經過第三分束棱鏡反射后進入第二電光調制器,第二電光調制器對其中心頻率進行移頻,滿足與泵浦光雙光子共振頻率條件,將其作為第二耦合光使用。
14、優選的,所述第一耦合光和第二耦合光為光功率強度400mw、束腰直徑1250μm的高斯光束。
15、優選的,控制加熱板對原子氣室加熱,使得原子氣室溫度升至80攝氏度。
16、優選的,加熱板上設置有測量反饋單元,用于實時獲取玻璃氣室的溫度,便于溫度精準控制。
17、優選的,鎖相激光器發射的連續鎖相激光與第一激光器發射的激光波長相同。
18、所述里德堡原子高效率泵浦系統的里德堡原子高效率泵浦方法,包括:
19、第一激光器發射連續激光,經光學處理后形成與加熱板平行的三束激光,其中一路激光作為參考光,另外兩路為探測光和泵浦光;
20、泵浦光、參考光和探測光從一側進入玻璃氣室;
21、第二激光器發射連續激光,所述連續激光經光學處理后形成與加熱板平行的兩束激光,即第一耦合光和第二耦合光;
22、第一耦合光和第二耦合光從另一側進入玻璃氣室,且第一耦合光與探測光重合,第二耦合光與泵浦光重合;
23、利用平衡探測器接收探測光和參考光,獲得兩束激光的差分信號,將所述差分信號輸入示波器,能夠獲得電磁誘導透明透射光譜,當光譜中出現透射峰信號時表明里德堡原子泵浦成功,利用電磁誘導透明透射光譜的透射率能夠判斷里德堡原子數密度;
24、加熱板通電,為原子氣室增溫,使得原子氣室溫度升高到80攝氏度;
25、在對原子氣室加熱的同時,利用平衡探測器接收探測光和參考光,在示波器上獲得電磁誘導透明透射光譜的透射率信息并監測里德堡原子數密度變化情況,隨著里德堡原子數量變大,電磁誘導透明透射光譜的透射率變大,達到最大值后趨于穩定,此時,里德堡原子數量為最大值,系統泵浦效率最高。
26、優選的,第一激光器的頻率鎖定于原子的基態能級到激發態能級躍遷共振頻率;
27、第一激光器發射連續激光,經光學處理后形成加熱板平行的三束激光,其中中間一路激光作為參考光,第一聲光調制器對另外兩路中的其中一路激光進行藍失諧移頻,且滿足大失諧條件,得到探測光,對另一路激光進行紅失諧移頻,且滿足大失諧條件,得到泵浦光。
28、本發明與現有技術相比的有益效果是:
29、本發明設計雙光路里德堡原子泵浦技術方案,利用雙路徑激光對原子泵浦激發,同時控制泵浦激光相對相位,當原子處在激發態時,通過加熱原子氣室實現加速原子運動,實現原子的相互碰撞,通過碰撞實現耗散誘導原子的激發態干涉相消,實現里德堡原子泵浦效率提高,大幅提高里德堡原子微波測量系統靈敏度。