CN103591893A

CN103591893A - 实现原子能级四波混频空间位移和分裂测量的方法

Info

Publication number: CN103591893A
Application number: CN201310497697.3A
Authority: CN
Inventors: 张彦鹏; 宋建平; 郑淮斌; 张贻齐; 黄高坪; 封玮康
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2013-10-21
Filing date: 2013-10-21
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2033-10-21
Also published as: CN103591893B

Abstract

本发明公开了一种实现原子能级四波混频空间位移和分裂测量的方法，其将激光器产生的激光脉冲信号经过处理，得532nm波长的激光，然后分成两束，作为两个染料激光器的泵浦源；其中一个产生的激光光束经过光学器件，得到k₁、k₃光束以及与k₁同向但有个小夹角的k₁′光；另一个染料激光器产生的激光光束经过光学器件后，得到k₂、k₂′光束，其中k₂与k₁光束传播方向重合，k₂′与k₁光束有一夹角；k₁、k₁′、k₂、k₂′和k₃光束会聚于样品池，产生出的水平偏振的两个四波混频信号k_F1、k_F2；测量四波混频信号k_F1、k_F2和探测信号k₃的干涉实验图谱，即能进行四波混频空间位移和分裂的测量。本发明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信号均适用。

Description

实现原子能级四波混频空间位移和分裂测量的方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，涉及一种空间位移和分裂测量的方法，尤其是一种实现原子能级四波混频空间位移和分裂测量的方法。

背景技术

现有技术中，通常利用单束脉冲激光实现原子能级空间位移和分裂的测量，但无法实现多通道共存。目前还没有实现在原子能级系统中带有信号的四波混频空间位移和分裂测量的先例。本发明利用可控制的多光束四波混频的空间移动和分裂来实现单光束不可实现的空间多通道开关和路由。经过申请人检索，没有发现与本申请相关的文献，为了理解本发明，申请人给出以下相关参考文献：G.P.Agrawal,Phys.Rev.Lett.64,2487（1990）。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种实现原子能级四波混频空间位移和分裂测量的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

这种实现原子能级四波混频空间位移和分裂测量的方法为：将激光器产生的激光脉冲信号经过降频处理，得到532nm波长的激光，然后将该激光分成两束，分别作为两个染料激光器的泵浦源；其中一个染料激光器产生的激光光束经过半波片、分束片、半透半反镜、反射镜、全反棱镜等光学器件，得到频率为ω₁的相对传输的k₁、k₃光束以及与k₁同向但有个小夹角的k₁′光；另一个染料激光器产生的激光光束经过光学器件后，得到频率为ω₂的k₂、k₂′光束，其中k₂与k₁光束传播方向重合，k₂′与k₁光束有一小夹角；k₁、k₁′、k₂、k₂′和k₃光束会聚于样品池，由于在空间上满足波矢相位匹配条件，产生出的水平偏振的两个四波混频信号k_F1、k_F2；利用电荷耦合器件来测量四波混频信号k_F1、k_F2和探测信号k₃的干涉实验图谱，即能进行四波混频空间位移和分裂的测量。

进一步，上述的实现原子能级四波混频空间位移和分裂测量的方法，具体按照以下步骤实现：

1）采用一台Nd:YAG激光器、第一染料激光器、第二染料激光器、光路和延时光路系统、信号采集系统、钠样品池（Na cell）；所述Nd:YAG激光器用于产生1064nm波长的激光脉冲信号，经过BBO晶体倍频得到532nm波长的激光，然后通过第一半透半反镜分成两束，分别给第一、二染料激光器作为泵浦源；

2）第一染料激光器射出的光束经过第一小孔和第一、二反射镜后在第七半透半反镜处分为两束光，一束反射光经第十一反射镜反射后通过第一半波片和第四偏振分束片分出水平偏振的光束，再经过第二小孔及第十二全反镜和第十三全反镜到达钠样品池；另一束透过半透半反镜的光穿过第二半波片和第一偏振分束片得到的水平偏振光，穿过第三小孔再经过第六半透半反镜；反射的一束光经过全反棱镜，并利用第四半透半反镜反射后得到频率为ω₁的k₁光束，透过第六半透半反镜的一束光经过延时系统并反射后，并利用第五半透半反镜反射后得到频率也为ω₁的k₁′光束；

3）第二染料激光器射出的光束经过第四反射镜和第四小孔及半波片B3后，在第二偏振分束片处分为两束光，一束光经过第四半波片和第三偏振分束片出水平偏振的光束，再经过第七反射镜及第三半透半反镜反射出频率为ω₂的k₂光束，并与频率为ω₁的k₁光束重合；第二偏振分束片分出的另一束光则依次通过第五反射镜和第六反射镜及第二半透半反镜，得到频率为ω₂的k₂′光束；

4）上述过程得到的k₁、k₁′、k₂和k₂′四个光束，其中k₁′和k₂′分别与k₁有一小夹角θ1、θ2；再输入一个与k₁、k₂的传播方向相反的k₃光束，它们汇聚于钠样品池；在空间上满足波矢相位匹配条件，产生出的水平偏振的两个四波混频信号k_F1、k_F2；利用电荷耦合器件测量先后经第八全反镜、第九全反镜和第十全反镜反射的四波混频信号k_F1、k_F2和探测信号k₃的干涉实验图谱，即可进行四波混频空间位移和分裂的测量。

上述k₁′光束和k₁光束都包含频率ω1，其中k₁′光束比k₁光束相对延时τ₁。

进一步，上述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。

进一步，上述夹角θ1、θ2均小于0.3°。

进一步，上述的钠样品池指钠蒸汽置于被屏蔽磁场的高μ金属片包裹，并用温控加热带加热的热管炉中。

进一步，上述的延时系统采用纳米级延时步进系统，能够通过Inchworm高精密延迟线来改变。上述的信号采集系统采用电荷耦合器件CCD，最后通过数据采集卡输入至计算机保存。

本发明具有以下有益效果：

本发明的实现原子能级四波混频空间位移和分裂测量的方法，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信号均适用。利用本装置，可以进一步研究它们的空间特性，如空间位移和分裂特性。而且利用激光脉冲信号对这些空间特性进行超快调制，可以实现多通道共存的空间开关和空间路由器的相关应用。

附图说明

图1是本发明方法的测量原理图；

图2是三能级位形图；

图3是几何配制图；

图4是利用空间位移效应实现光开关/路由器的示范图；

图5是利用空间分裂效应实现光开关/路由器的示范图。

具体实施方式

本发明实现原子能级四波混频空间位移和分裂测量的方法，是将激光器产生的激光脉冲信号经过降频处理，得到532nm波长的激光，然后将该激光分成两束，分别作为两个染料激光器的泵浦源；其中一个染料激光器产生的激光光束经过半波片、分束片、半透半反镜、反射镜、全反棱镜等光学器件，得到频率为ω₁的相对传输的k₁、k₃光束以及与k₁同向但有个小夹角的k₁′光；另一个染料激光器产生的激光光束经过光学器件后，得到频率为ω₂的k₂、k₂′光束，其中k₂与k₁光束传播方向重合，k₂′与k₁光束有一小夹角；k₁、k₁′、k₂、k₂′和k₃光束会聚于样品池，它们在空间上满足波矢相位匹配条件，产生出的水平偏振的两个四波混频信号k_F1、k_F2；利用电荷耦合器件来测量四波混频信号k_F1、k_F2和探测信号k₃的干涉实验图谱，即能进行四波混频空间位移和分裂的测量。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，图1是本发明的测量方法原理图。首先由以Nd:YAG激光器为泵浦源的两台染料激光器（即第一染料激光器DL1和第二染料激光器DL2）分别产生ω₁和ω₂两束平行独立的相干光或孪生色锁噪声光的光源。在第一染料激光器DL1射出的光路上，设有一半透半反镜H7，将光源分为两路；其中的一路光利用反射镜M11、λ/2玻片和偏振分束片PBS4得到k₃光束；另一路穿过半透半反镜的光通过λ/2玻片和偏振分束片PBS1并利用半透半反镜H6及全反棱镜L和半透半反镜H4、H5的反射得到k₁′光束和k₁光束。在DL2射出光路上，光束通过偏振分束片PBS2分为两路光路；一路光经过λ/2玻片和偏振分束片PBS3分出水平偏振的光束k2，再经过反射镜M7及半透半反镜H3与k₁光束重合；另一路光则通过两个反射镜M5、M6及半透半反镜H2得到k₂′光束。

在图1中，由上述过程得到了k₁、k₁′、k₂和k₂′四个光束，其中k₁和k₁′具有共同频率ω₁,k₂和k₂′具有共同频率ω2，并且k₁′光束比k₁光束相对延时τ₁（可利用延时系统调节），k₂′光束比k₂光束相对延时τ₂。其中k₁′和k₂′分别k₁有一小夹角θ1、θ2（小于0.3°）。再输入一个与k₁、k₂的传播方向相反的k₃光束。这些光束汇聚于钠样品池（Na cell）。由于在空间上满足波矢相位匹配条件，产生出的水平偏振的两个四波混频（FWM）信号k_F1、k_F2。利用CCD来测量先后经全反镜M8、M9和M10反射的FWM信号k_F1、k_F2和探测信号k₃的干涉实验图谱，即可进行四波混频空间位移和分裂的测量。

以一个开放三能级原子系统为例，如图2所示，|0>为基态，|1>为中间态，|2>为激发态。k₁和k₁′光束频率为ω₁，k₂和k₂′光束频率为ω₂，k₃光束频率同样为ω₁。ω₁和ω₂分别接近于|0>到|1>、|1>到|2>的跃迁共振频率Ω₁和Ω₂。k₁、k₁′、k₂、k₂′和k₃（带撇的表示有相对延时）也同时代表各自光束的波矢。它们满足相位匹配条件，产生了频率为ω₁的简并FWM信号k_F1。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非简并FWM信号k_F2。这两个信号的相位匹配条件分别为k_F1=k₁-k₁′+k₃和k_F2=k₂-k₂′+k₃，这里k_F1和k_F2分别指简并和非简并FWM信号的波矢。这两个FWM信号出射方向不同，一个沿着k₁′的反方向，另外一个近似沿着k₂′的反方向。通常k_F1和k_F2之间会以很小的夹角(约为0.3°)出射，如图3。测量前，尽可能调整光路（例如反射棱镜、全反镜等），使k₁、k₁′、k₂、k₂′和k₃五个光束的整体光程几乎相等。这样，探测场k₃、简并FWM信号k_F1和非简并FWM信号k_F2将通过电荷耦合器件(CCD)来测量。通过仔细地调节以及有选择性地遮挡“方形盒”空间里的各个激光束(满足波矢相位匹配条件)，探测场和两个FWM信号会被准确地甄别出来，通过数据采集卡输入至计算机保存。

本实验方案可推广到任意n+1（n≥2）能级系统，能级|i-1＞和|i＞(i=3,4,…,n+1)之间可用k_i(k_i′)耦合。同样地，相同频率的场k_i和k_i′在特定激光束形成的“方形盒”空间配置里以很小的空间夹角入射到样品池。这样，所产生的四波混频信号的出射方向也存在着一定的规律，通过CCD来测量，进而研究其空间特性。利用激光脉冲信号对这些非稳态空间特性（如空间位移和分裂特性）进行超快调制，可实现空间开关和路由器的相关应用。

如图4，在梯形三能级原子系统中利用电磁诱导空间位移（Electromagnetically induced spatial shift）效应，全光交换/路由效应是可以经过实验论证的。在三能级原子系统中，我们打开全部的五束激光（k₁、k₁′、k₂、k₂′和k₃），产生的两个FWM信号，它们之间可以相互影响。在当前系统中，可以通过缀饰场来控制探测场k₃和两个FWM信号k_F1、k_F2，从而实现三重二元全光开关。图4从上到下展示的分别是缀饰光束k₁′（正方形），简并FWM信号k_F1（三角形），非简并FWM信号k_F2（圆形）和探测场k₃（菱形）的受控情况。以两个FWM信号为例，它们的空间位置可以被其他缀饰场移动：该点的初始位置是“关”状态，当该光束被缀饰场移动到新位置时，开关被认为是“开”状态。其中，斩波器的重复周期，远超过5纳秒的缀饰场激光脉冲宽度，所以“开”状态维持间隔为5纳秒，然后转向“关”状态。当光束k₁′存在时，探测场k₃和FWM信号k_F2由于交叉克尔非线性效应移动到光束k₁′右边。同时，光束k_F1转移到缀饰场光束k₂′左边。当k₁′不存在时，所有的光束回到原来的位置（“关闭”状态）。因为由缀饰场k₂′和场k₁′诱导出的光束k_F1和k_F2的交叉克尔非线性系数

和

都是正的，所以光束k_F1和k_F2的光斑转移到了相反的方向，如图4所示。而被缀饰场k₂′和k₁′分别诱导出的非线性相移为

和

因此我们可以使用公式中涉及到的两个可控参数，即频率和激光强度，来控制三个光斑的空间位置。这种同步三束光开关可以执行不同的地址数据传输的功能，也可作为全光网络中光路由，多路转换器或全光开关阵列的来使用。

同样，在梯形三能级原子系统中利用电磁诱导空间分裂（Electromagnetically induced spatial splitting）效应，全光路由和空间多路分解器也可以经过实验论证。图5展示的是FWM信号k_F1的垂直极化分量的空间分裂特性随缀饰场k₁的极化方向改变而呈现周期性的变化。FWM信号的变化周期为90°，在±45°的位置出现较多的分裂个数，且强度较强；而在0°和90°的位置分裂个数较少且强度较弱。换句话说，将k₁的极化方向角度在90°的周期中变化，可以将FWM信号（可加载光信息）从一个光信道转换（或分布）到3或4个不同的信道。这种可控的空间分裂现象可以为全光多路分解器的实现提供可行的方案。

基于非稳态空间特性，我们可以构成在光通信和网络中非常有用的多通道共存的全光开关/路由和空间信号分离器。此外，还可以利用稳态方面的特性（例如光孤子等）来实现全光开关和路由器。

Claims

1.一种实现原子能级四波混频空间位移和分裂测量的方法，其特征在于：将激光器产生的激光脉冲信号经过降频处理，得到532nm波长的激光，然后将该激光分成两束，分别作为两个染料激光器的泵浦源；其中一个染料激光器产生的激光光束经过半波片、分束片、半透半反镜、反射镜、全反棱镜，得到频率为ω₁的相对传输的k₁、k₃光束以及与k₁同向但有个夹角的k₁′光；另一个染料激光器产生的激光光束经过光学器件后，得到频率为ω₂的k₂、k₂′光束，其中k₂与k₁光束传播方向重合，k₂′与k₁光束有一夹角；k₁、k₃光束会聚于样品池，它们在空间上满足波矢相位匹配条件，产生出的水平偏振的两个四波混频信号k_F1、k_F2；利用电荷耦合器件来测量四波混频信号k_F1、k_F2和探测信号k₃的干涉实验图谱，即能进行四波混频空间位移和分裂的测量。

2.根据权利要求1所述的实现原子能级四波混频空间位移和分裂测量的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实现：

1）采用一台Nd:YAG激光器、第一染料激光器（DL1）、第二染料激光器（DL2）、光路和延时光路系统、信号采集系统、钠样品池（Na cell）；所述Nd:YAG激光器用于产生1064nm波长的激光脉冲信号，经过BBO晶体倍频得到532nm波长的激光，然后通过第一半透半反镜（H1）分成两束，分别给第一、二染料激光器（DL1、DL2）作为泵浦源；

2）第一染料激光器（DL1）射出的光束经过第一小孔（K1）和第一、二反射镜（M1、M2）后在第七半透半反镜（H7）处分为两束光，一束反射光经第十一反射镜（M11）反射后通过第一半波片（B1）和第四偏振分束片（PBS4）分出水平偏振的光束，再经过第二小孔（K2）及第十二全反镜（M12）和第十三全反镜（M13）到达钠样品池（Na cell）；另一束透过半透半反镜（H7）的光穿过第二半波片（B2）和第一偏振分束片（PBS1）得到的水平偏振光，穿过第三小孔（K3）再经过第六半透半反镜（H6）；反射的一束光经过全反棱镜（L），并利用第四半透半反镜（H4）反射后得到频率为ω₁的k₁光束，透过第六半透半反镜（H6）的一束光经过延时系统并反射后，并利用第五半透半反镜（H5）反射后得到频率也为ω₁的k₁′光束；

3）第二染料激光器（DL2）射出的光束经过第四反射镜（M4）和第四小孔（K4）及半波片B3后，在第二偏振分束片（PBS2）处分为两束光，一束光经过第四半波片（B4）和第三偏振分束片（PBS3）出水平偏振的光束，再经过第七反射镜（M7）及第三半透半反镜（H3）反射出频率为ω₂的k₂光束，并与频率为ω₁的k₁光束重合；第二偏振分束片（PBS2）分出的另一束光则依次通过第五反射镜（M5）和第六反射镜（M6）及第二半透半反镜（H2），得到频率为ω₂的k₂′光束；

4）上述过程得到的k₁、k₁′、k₂和k₂′四个光束，其中k₁′和k₂′分别与k₁有一夹角θ1、θ2；再输入一个与k₁、k₂的传播方向相反的k₃光束，它们汇聚于钠样品池（Na cell）；在空间上满足波矢相位匹配条件，产生出的水平偏振的两个四波混频信号k_F1、k_F2；利用电荷耦合器件（CCD）测量先后经第八全反镜（M8）、第九全反镜（M9）和第十全反镜（M10）反射的四波混频信号k_F1、k_F2和探测信号k₃的干涉实验图谱，即可进行四波混频空间位移和分裂的测量。

3.根据权利要求1所述的实现原子能级四波混频空间位移和分裂测量的方法，其特征在于：所述k₁′光束和k₁光束都包含频率ω₁，其中k₁′光束比k₁光束相对延时τ₁。

4.根据权利要求1所述的实现原子能级四波混频空间位移和分裂测量的方法，其特征在于：k₁′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。

5.根据权利要求1所述的实现原子能级四波混频空间位移和分裂测量的方法，其特征在于：夹角θ1、θ2均小于0.3°。

6.根据权利要求1所述的实现原子能级四波混频空间位移和分裂测量的方法，其特征在于：所述的钠样品池指钠蒸汽置于被屏蔽磁场的高μ金属片包裹，并用温控加热带加热的热管炉中。

7.根据权利要求1所述的实现原子能级四波混频空间位移和分裂测量的方法，其特征在于：所述的延时系统采用纳米级延时步进系统，能够通过Inchworm高精密延迟线来改变。

8.根据权利要求1所述的实现原子能级四波混频空间位移和分裂测量的方法，其特征在于：所述的信号采集系统采用电荷耦合器件CCD，最后通过数据采集卡输入至计算机保存。