CN101364024B - 实现不同阶次多波混频间的共存和相互作用的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现任意能级不同阶次多波混频间的共存和相互作用的方法。两束独立的连续光或脉冲光由偏振分束片PBS分别分为两束光，再利用棱镜和可移动的全反镜将垂直偏振光束反射回原光路，从而得到新的两束光，移动全反镜R可改变光束的相对延时τ，从而改变相位差。这分出的四光束加上另一束频率为ω₄的连续光或脉冲光k₄光束，总共得到k₂、k'₂、k₃、k'₃和k₄五个入射光束。它们的入射方向在空间上相互满足0.3°小夹角的波矢相位匹配条件，与反向传播的k₁光束汇聚于铷样品池上。在选择适当的泵浦场强度和特定的激光束形成“方形盒”空间配置情况下，可以产生出同方向共存的四波混频、六波混频和八波混频信号，也可产生不同角度出射的FWM和SWM。

Description

实现不同阶次多波混频间的共存和相互作用的测量方法

技术领域

本发明涉及一种光学实现方法，具体是一种实现任意能级不同阶次多波混频间的共存和相互作用的方法。

背景技术

在正常情况下，多能级原子系统的六波混频信号强度比四波混频信号强度小几个量级。特别在气体中，原子密度及非线性效应都很低，因而无法观测不同价次多波混频(六波混频和四波混频)共存的现象。到目前为止，仅有在液体或固体系统中实现不同价次多波混频共存观测的报道，还未见在气体原子或分子中实现不同价次多波混频共存的观测的报道，本专利设计研究不同阶的多波混频过程在多能级原子系统里的同时产生和共存，以及基于电磁诱导透明(EIT)的多能级原子系统高效率的多波混频之间存在的相互竞争、相互干涉，和它们在传播过程中存在的能量交换。目前还没有一种实现这些过程的方法的先例。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种实现任意能级不同阶次多波混频间的共存和相互作用的方法。本发明可以观察到以前无法观察到气体原子或分子中的不同阶次多波混频间的共存，有助于理解和设计多通道的非线性光子器件。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种实现任意能级不同阶次多波混频间的共存和相互作用的方法，包括下列步骤：

1)入射频率为ω₁的光束经过一个半波片P5和偏振分束片PBS1分为两束光，其中分出的一束水平偏振光由PBS1射出后得到频率为ω₁的k₁光束

2)首先设置入射频率为ω₂、ω₃和ω₄的三束独立的连续光或脉冲光源；并在光路上设置半波片、偏振分束片(作用是使垂直偏振光反射，使水平偏振光透射)、全反镜、复位镜、可移动的全反棱镜和凸透镜；

3)入射频率为ω₃的光束经过一个半波片P1和偏振分束片PBS4分为两束光，其中分出的一束垂直偏振光射至全反镜M1，然后由全反镜M1反射至全反镜M2再反射，并由凸透镜L1汇聚后入射至全反镜M3，经全反镜M3反射后得到频率为ω₃的k₃′光束；偏振分束片PBS4分出的另一束水平偏振光经半波片P2后变为垂直偏振光，经过凸透镜L1汇聚后入射至全反镜M3，经全反镜M3反射得到频率也为ω₃的k₃光束；

4)入射频率为ω₂的光束经过一个半波片P4和偏振分束片PBS5分为两束光，其中分出的一束垂直偏振光射至全反镜M6，然后由全反镜M6反射至全反镜M5后再反射出，经复位镜FM3反射至可移动的全反棱镜，最后先后经全反棱镜和复位镜FM2反射，并穿过凸透镜L2，汇聚后入射至全反镜M4，经M4反射后得到频率为ω₂的

光束；PBS5分出的另一束水平偏振光则穿过PBS5和半波片P3后变为垂直偏振光，经过凸透镜L2，汇聚后入射至M4，经M4反射得到频率也为ω₂的k₂光束；

5)入射频率为ω₄的光束经过一个半波片P6后，由一个偏振分束片PBS3分为两束光，其中分出的一束水平偏振光穿过PBS3和半波片P7后变为垂直偏振光，入射至全反镜M7，经M7反射得到频率为ω₄的k₄光束；

6)光束和k₂光束都包含频率ω₂，其中

光束比k₂光束相对延时τ₂；和k₃光束都包含频率ω₃，移动全反镜M1可改变

和k₃光的相对延时τ₃。

7)上述过程得到了k₂、

k₃、

和k₄五个光束，它们的入射方向在空间上相互满足0.3°小夹角的波矢相位匹配条件，与反向传播的k₁光束汇聚于铷样品池上。产生出的水平偏振的四波混频FWM、六波混频SWM、八波混频EWM信号出射方向相对于k1光束的方向有一个小于0.3°夹角。硅光二极管D1可以用来探测k₁光束，雪崩光电二极管APD1用来探测先后经全反镜M8和M9反射的共存的四波混频、六波混频和八波混频信号。电荷耦合器件(CCD)用来测量先后经全反镜M8和复位镜FM1反射的四波混频、六波混频和八波混频信号干涉实验图谱。雪崩光电二极管APD2用来探测先后经全反镜M8和M10反射的另一六波混频信号，FWM和SWM从不同角度出射时，可以用来研究它们之间的能量转换。从而可实现任意能级不同阶次多波混频间的共存和相互作用。

采用上述方法可以实现任意能级不同阶次多波混频间的共存和相互作用的方法。对原子系统中级联三能级，Y型四能级、V型三能级等其它类型的开放五能级系统的四波混频、六波混频、八波混频信号均适用。可以实现不同阶次多波混频间的共存和相互竞争、相互干涉，和它们在传播过程中存在的能量交换。

附图说明

图1是本发明方法的测量原理图。

图2是任意能级位形图；

图3是几何配制图。

下面结合附图和本发明的实验方案对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式

参见图1所示，首先设置入射频率为ω₂、ω₃和ω₄的三束独立的的连续光或脉冲光源；并在光路上设置半波片、偏振分束片(作用是使垂直偏振光反射，使水平偏振光透射)、全反镜、复位镜、可移动的全反棱镜和凸透镜。

在图1中，将三束独立的相干光或孪生色锁噪声光(频率为ω₂、ω₃和ω₄)每束光由偏振分束片PBS分别分为两束光，再利用棱镜P和可移动的全反镜R将垂直偏振光束反射回原光路，从而得到新的两束光(其中的一束光相对于另一束光有相对延时)。移动全反镜R可改变光束的相对延时τ，从而改变相位差。利用本装置，可得到以下的结果：

光束中频率为ω₂的光比k₂光束中同频率光相对延时τ₂，

光束中频率为ω₃的光比k₃光束中同频率光相对延时τ₃。延时τ₂、τ₃的大小可以通过调节延时线来获得。延时线里的反射棱镜被装在压电陶瓷微位移驱动器(Inchworm)上，用计算机控制精密移动。位移精度优于1纳米，从而改变光束的相对延时，延时精度优于2nm/(3×10¹⁷nm/秒)≈6阿秒。利用上述装置，可实现任意能级不同阶次多波混频间的共存和相互作用。

参照图2、图3所示，以一个开放五能级原子系统为例，|0>为基态，|1>为中间态，|2>、|3>和|4>为激发态。利用上述方法得到的泵浦光的空间几何配制，如图3所示。k₁光束中包含频率分量ω₁，k₂和

光束中包含频率分量ω₂，k₃和

光束中包含频率分量ω₃，k₄光束中包含频率分量ω₄，k₁、k₂、k₃、

和k₄(带撇的同样表示有相对延时)同时也代表各自光束的波矢。ω₁、ω₂、ω₃和ω₄分别接近于|0>到|1>、|1>到|2>、|2>到|3>、|1>到|3>的跃迁共振频率Ω₁、Ω₂、Ω₃和Ω₄。两个泵浦激光束k₂和

耦合|1>和|2>之间的跃迁，另外两个泵浦场k₃和

耦合|2>和|3>之间的跃迁，泵浦场k₄耦合|1>和|4>之间的跃迁，探测场k₁调谐在|0>和|1>之间的跃迁。

光束中的ω₂和k₁光束中的ω₁在|0>、|1>、|2>中发生了Ω₁+Ω₂的双光子过程，经含频率分量ω₂的k₂光束探测，产生了频率为ω₁的FWM信号，出射方向沿

同样地，在选择适当的泵浦场强度和设计特定的激光束形成“方形盒”空间配置(如图3)的情况下，会产生出高效共存的FWM、SWM和EWM信号，它们之间会以很小的夹角(实验上大约是0.3°)出射(它们同时和泵浦场之间也有一个很小的夹角)。如图1，这三个信号的相位匹配条件分别是 $k_f=k_1+k_2-k_2^{\′},$   $k_s=k_1+k_2-k_2^{\′}+k_3-k_3^{\′}$ 和 $k_e=k_1+k_2-k_2^{\′}+k_3{k}_3^{\′}+k_4-k_4.$ 这里k_f，k_s和k_e分别是FWM、SWM和EWM信号的波矢。这样，探测场，FWM、SWM和EWM信号可以分别被不同的探测器探测到。测量前，尽可能调整光路，设反射棱镜和全反镜在某一位置时，使k₁、k₂、

k₃、

和k₄五个光束的整体光程几乎相等。k₂和

k₃和之间有一个相对延时。

本实验可在5cm长的⁸⁷Rb原子蒸汽样品池里进行的。该样品池被屏蔽磁场的高μ金属片包裹，并用温控加热带加热。以图2所示的五能级系统为例，它的各个能级分别由5S_1/2(|0>)，5P_3/2(|1>)，5D_3/2(|2>)，5P_1/2(|3>)和5D_5/2，(|4>)组成，水平偏振的探测场k₁来自于波长为780.24nm的外腔式二极管激光器(ECDL)，垂直偏振的耦合场k₂和

由另一个波长为776.16nm的ECDL的光束分束而来，垂直偏振的泵浦场k₃和

由一个波长为762.10nm的连续波(CW)Ti：Sapphire激光器的光束分束而来，垂直偏振的耦合场k₄另一个波长为775.99nm的ECDL的光束而来。耦合场(k₂和

和泵浦场(k₃和

)的功率分别为15和65mW，探测场的功率为0.7mW。另外，样品池中心处的泵浦场和耦合场光斑直径分别是大约0.5mm，而探测场在这里的光斑直径大约是0.3mm。产生出来的FWM、SWM和EWM信号为水平偏振(如图3所示)。我们可以通过改变激光器LD1的光栅的角度和电流大小来达到扫描探测光频率的目的。而光束间的延时τ可以通过Inchworm高精密延迟线来改变。具体来讲：全反射棱镜R被装在压电陶瓷微位移驱动器(Inchworm)上，用计算机控制其精密移动。位移精度优于1纳米，从而改变光束间的相对延时，延时精度优于2nm/(3x10¹⁷nm/sec)≈6阿秒。沿空间矢量r方向的干涉实验图谱可以通过电荷耦合器件(CCD)来测量。同时探测场，FWM、SWM和EWM将分别被三个探测器探测到：硅光二极管D₁探测探测场，雪崩光电二极管(APD1)放在相对于探测场的小夹角θ方向来探测共存的FWM、SWM和EWM信号，当它们从同一角度出射时，可以用来研究它们之间的相互干涉。雪崩光电二极管(APD2)放在2倍θ方向来探测共存的SWM。当FWM，SWM和EWM从不同角度出射时，可以用来研究FWM和SWM之间的能量转换。通过仔细地调节“方形盒”空间里的各个激光束(满足0.3°小夹角的波矢相位匹配条件)，以及有选择性地挡光，FWM信号、SWM信号和EWM信号会被准确地甄别出来，从而进一步研究这些多波混频之间的相互竞争、相互干涉，和它们在传播过程中存在的能量交换。

本实验方案可推广到任意n+1能级系统，能级|i-1>和|i>(i＝3，4，...，n+1)之间可用k_i

耦合。同样地，相同频率的场k_i和

在特定的激光束形成“方形盒”空间配置里以很小的空间夹角入射到铷样品池。在选择适当的泵浦场强度和特定的激光束形成“方形盒”空间配置设计(如图3)的情况下，共存着更高阶的相同频率的多波混频过程，它们的出射方向也存在着一定的规律，从而可以进一步研究它们的共存和相互作用。

Claims (2)

1.实现不同阶次多波混频间的共存和相互作用的测量方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)首先设置入射频率为ω₁、ω₂、ω₃和ω₄的四束独立的连续光或脉冲光源；并在光路上设置半波片、偏振分束片、全反镜、复位镜、可移动的全反棱镜和凸透镜；

2)入射频率为ω₁的光束经过一个半波片P5和偏振分束片PBS1分为两束光，其中分出的一束水平偏振光由PBS1射出后得到频率为ω₁的k₁光束；

3)入射频率为ω₂的光束经过半波片P4和偏振分束片PBS5分为两束光，其中分出的一束垂直偏振光反射至全反镜M6，然后由全反镜M6反射至全反镜M5后再反射，之后经复位镜FM3反射至可移动的全反棱镜P，经全反棱镜P和复位镜FM2反射，并经凸透镜L2汇聚后入射至全反镜M4，经全反镜M4反射后得到频率为ω₂的k₂′光束；偏振分束片PBS5分出的另一束水平偏振光则穿过半波片P3后变为垂直偏振光，经凸透镜L2汇聚后入射至全反镜M4，经全反镜M4反射得到频率也为ω₂的k₂光束；

4)入射频率为ω₃的线偏振光束经过一个半波片P1和偏振分束片PBS4，分为两束光，分别为垂直偏振光和水平偏振光。垂直偏振光由偏振分束片PBS4反射至全反镜M1，然后由全反镜M1反射至全反镜M2再反射，并经凸透镜L1汇聚后入射至全反镜M3，经全反镜M3反射后得到频率为ω₃的k₃′光束；PBS4分出的另一束水平偏振光通过半波片P2后变为垂直偏振光，经过凸透镜L1汇聚后入射至全反镜M3，经全反镜M3反射得到频率为ω₃的k₃光束；

5)入射频率为ω₄的光束经过一个半波片P6和偏振分束片PBS3分为两束光，其中分出的一束水平偏振光穿过半波片P7后变为垂直偏振光，入射至全反镜M7，经全反镜M7反射得到频率为ω₄的k₄光束；

6)k₂′光束和k₂光束都包含频率ω₂，其中k₂′光束比k₂光束相对延时τ₂；k₃′和k₃光束都包含频率ω₃，移动全反镜M1可改变k₃′和k₃光的相对延时τ₃；

7)上述过程得到了k₂、k₂′、k₃、k₃′和k₄五个光束，它们的入射方向在空间上相互满足小于0.3°夹角的波矢相位匹配条件，与反向传播的k₁光束汇聚于铷样品池上，产生出的水平偏振的四波混频FWM、六波混频SWM、八波混频EWM信号出射方向相对于k₁光束的方向有一个小于0.3°夹角，从而实现任意能级不同阶次多波混频间的共存和相互作用；

8)雪崩光电二极管APD1用来探测先后经全反镜M8和M9反射的共存的四波混频、六波混频和八波混频信号，电荷耦合器件(CCD)用来测量先后经全反镜M8和复位镜FM1反射的四波混频、六波混频和八波混频信号干涉实验图谱，雪崩光电二极管APD2用来探测先后经全反镜M8和M10反射的另一六波混频信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的可移动的全反棱镜P安装在压电陶瓷微位移驱动器上，由计算机控制移动。

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