CN105375250B - 一种原子-腔耦合产生高阶横模的方法及装置 - Google Patents
一种原子-腔耦合产生高阶横模的方法及装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105375250B CN105375250B CN201510865615.5A CN201510865615A CN105375250B CN 105375250 B CN105375250 B CN 105375250B CN 201510865615 A CN201510865615 A CN 201510865615A CN 105375250 B CN105375250 B CN 105375250B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- atom
- transverse mode
- order transverse
- chamber
- polarization splitting
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 230000008878 coupling Effects 0.000 title claims abstract description 35
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 title claims abstract description 35
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 title claims abstract description 35
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 60
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 27
- 229910052792 caesium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 12
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 150000001340 alkali metals Chemical group 0.000 claims abstract description 12
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 13
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 claims description 10
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 claims description 10
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 10
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 9
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 8
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 8
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 7
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 claims description 7
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 5
- 239000003513 alkali Substances 0.000 claims description 4
- 230000003667 anti-reflective effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 4
- 241000931526 Acer campestre Species 0.000 claims description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims 1
- 238000011160 research Methods 0.000 abstract description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 3
- 238000000960 laser cooling Methods 0.000 abstract description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 abstract 1
- 210000000038 chest Anatomy 0.000 description 24
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 5
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 241000145637 Lepturus Species 0.000 description 2
- 241001494479 Pecora Species 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 1
- 230000003466 anti-cipated effect Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000002585 base Substances 0.000 description 1
- TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N caesium atom Chemical compound [Cs] TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 230000006735 deficit Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000009527 percussion Methods 0.000 description 1
- 229910052573 porcelain Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052701 rubidium Inorganic materials 0.000 description 1
- IGLNJRXAVVLDKE-UHFFFAOYSA-N rubidium atom Chemical compound [Rb] IGLNJRXAVVLDKE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- 241000894007 species Species 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
- H01S3/08018—Mode suppression
- H01S3/0804—Transverse or lateral modes
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
本发明提供了一种原子‑腔耦合产生高阶横模的方法及装置。本发明解决了传统的通过倾斜谐振腔腔镜或光线传播方向产生高阶横模的问题。该发明如下：在由原子汽室和驻波腔耦合的系统中，当一对强的相干耦合场对射穿过腔内原子介质时，腔内介质对弱的腔模场的折射率产生调制，从而诱发高阶横模的产生。该发明装置如下：由半导体激光器、光隔离器、半波片、偏振分光棱镜、全反镜、凸透镜，平凹镜，铯原子气室组成高阶横模激光产生系统。本发明适用于制备基于碱金属原子吸收线附近的空间高阶横模关联光场的种子光源、利用高阶横模进行微小位移的精确测量、激光冷却与光学俘获、量子信息存储等研究领域。
Description
技术领域
本发明涉及量子光学中光与物质相互作用技术领域，具体是基于腔内介质在强耦合场作用下，对腔模的折射率产生调制，从而实现一种原子-腔耦合产生高阶横模的方法及装置。
背景技术
在激光技术领域，定义垂直于光的传播方向上某一横截面上的稳定场分布称为光的横模，即横截面上光强的分布，与单横模运转的激光相比，由于激光的高阶横模如厄米高斯模、拉盖尔高斯模和恩司高斯模等，具有更为复杂的空间结构，包含光场更多的振幅和相位信息，因此在量子信息存储，量子通讯，激光精密测量等研领域，越来越受到人们的广泛关注，现有的产生激光高阶横模的方法大致分两类：第一类是内腔选模法，第二类是外腔选模法。
内腔选模法，是指在激光器谐振腔内直接选择单一指定的高阶横模运转输出，主要途径包括两种：第一种是在激光器谐振腔内插入相位为0-π分布的相位片，通过增强谐振腔对低阶模式的衍射损耗来实现目标高阶模式的输出，这种方法的缺点是不能根据实际需要而有效地改变预期输出高阶横模光束，存在一定的局限性，而且由于在激光器谐振腔中引入了额外的器件，增加了调节的难度和工作量，大大降低了系统的可靠性；第二种是通过对激光器谐振腔的腔镜进行变形，从而实现高阶横模的选择输出，该方法的缺点是在改变输出的高阶横模模式时，需要重新计算目标高阶模式的振幅及位相分布，然后将计算数据反馈回激光器腔内高反射率腔镜处，得到高反射率腔镜处的目标复振幅；再通过计算得到高反射率腔镜处目标复振幅的相位，从而确定激光器高反射率腔镜的面形变化参数，实现腔镜的变形，该方法操作相对比较复杂，计算量大，需特殊材质的可变形腔镜，成本较高；内腔选模法共有的缺点就是激光器只能以单一高阶模式输出，在改变模式时都需要重新调节激光器，不能实现不同高阶模式之间的相互作用和转换，另外该方法对激光器工作类型有很大限制，如该法就不适用于光栅反馈半导体激光器等。
外腔选模法，是指当激光器以基模横模运转输出后，让基模光通过一高精细度的谐振腔共振输出，如驻波腔或环形腔等，然后通过调节入射光的传播方向或倾斜谐振腔腔镜的方法，从而激发高阶模式的共振输出，该方法是目前获得高阶横模最常用的方法，可以将一台激光器的光分成几束，分别进入几个谐振腔，从而获得多个不同的高阶横模，但该方法的缺点是只能获得阶数较小的高阶模式，阶数越高，则输出效率越低，如果需要阶数较高的高阶横模，则需要较强的注入功率，而且受谐振腔腔镜大小、腔长等参量的限制，通过该法有效产生更为复杂的高阶模式的种类非常有限。
发明内容
本发明为解决在外腔选模中，只能调节光的传播方向或倾斜腔镜来产生高阶横模的问题，提供一种利用原子-腔耦合产生高阶横模的方法及装置。
本发明所述的一种原子-腔耦合产生高阶横模的方法，是采用以下技术方案实现的：一种原子-腔耦合产生高阶横模的方法，在由内充碱金属原子介质的原子汽室和驻波腔耦合的系统中，当频率、偏振和强度相同的一对强的相干耦合场对射穿过原子汽室内的碱金属原子介质时，形成驻波耦合场；再以一束弱的探针场以基模高斯光束耦合进驻波腔中并共振输出，共振输出的场称为腔模场，输出模式是基模高斯光；在耦合场频率相对原子共振中心满足一定失谐时，处于驻波耦合场中的原子汽室内碱金属原子介质对弱的腔模场的折射率产生周期性的调制，从而可诱发不同高阶横模在腔内振荡，通过调节驻波腔的腔长，可选择所需要的高阶横模输出。
进一步的，在驻波腔腔长不变条件下，通过改变腔内原子汽室的温度或耦合场的频率失谐，可以改变腔内碱金属原子介质对腔模的折射率大小，从而实现高阶横模的模式改变。
本发明所述的一种原子-腔耦合产生高阶横模的装置是采用如下技术方案实现的：一种原子-腔耦合产生高阶横模的装置，包括高阶横模激光产生系统；所述高阶横模激光产生系统包括第一半导体激光器以及顺次位于第一半导体激光器出射光路上的第一光隔离器、第一半波片、第一偏振分光棱镜；第一偏振分光棱镜的透射光路上顺次设有第二半波片和第二偏振分光棱镜；第二偏振分光棱镜的透射光路上顺次设有凸透镜以及原子-腔耦合系统；所述原子-腔耦合系统包括由顺次位于凸透镜的透射光路上的第一平凹腔镜和第二平凹腔镜组成且配有腔长调节装置的近共心驻波腔；第一平凹腔镜和第二平凹腔镜之间顺次设有第三偏振分光棱镜、内充碱金属原子介质的原子汽室和第四偏振分光棱镜；第一偏振分光棱镜的反射光路上设有第一全反镜，第三偏振分光棱镜的反射光路上设有第二全反镜，第二全反镜同时位于第一全反镜的反射光路上；第四偏振分光棱镜的反射光路上设有第三全反镜；经过第一偏振分光棱镜反射的激光经过第一全反镜、第二全反镜以及第三偏振分光棱镜的反射后作为第一束耦合场进入原子汽室；同时该第一束耦合场穿过原子汽室后经第四偏振分光棱镜及第三全反镜反射并按原路返回后作为第二束耦合场入射至原子汽室且与第一束耦合场反向共线重合，在原子汽室内形成驻波耦合场；由第二偏振分光棱镜透射的激光作为探针场，以水平偏振通过凸透镜，匹配到原子-腔耦合系统中共振输出。
耦合场通过腔内放置的第三偏振分光棱镜单次穿过原子汽室，通过第四偏振分光棱镜导出后，又经过第三全反镜按原光路返回，形成驻波耦合场。
还包括高阶横模频率监视系统；所述高阶横模频率监视系统包括第二半导体激光器、顺次位于第二半导体激光器出射光路上的第二光隔离器、第三半波片、第五偏振分光棱镜；第五偏振分光棱镜的透射光路上顺次设有第四半波片和电磁诱导透明装置；第五偏振分光棱镜的反射光路上设有饱和吸收谱装置；电磁诱导透明装置同时位于第二偏振分光棱镜的反射光路上；饱和吸收谱装置的信号输出端连接有第一探测器；电磁诱导透明装置的信号输出端连接有第二探测器；第一探测器和第二探测器的信号输出端共同连接有第一示波器。
近共心驻波腔的出射光路上设有反射率1%反射镜，反射率1%反射镜的透射光路上设有第三探测器，反射率1%反射镜的反射光路上设有CCD摄像机，第三探测器的信号输出端连接有第二示波器。
原子汽室配有对其调节温度的加热带，加热带配有控制和显示原子汽室温度的控温仪；所述近共心驻波腔的腔长调节装置包括与第二平凹腔镜相连接的压电陶瓷，压电陶瓷连接有高压放大器；还包括与高压放大器相连接的信号发生器，信号发生器的一个信号输出端与高压放大器连接，信号发生器的另一个信号输出端与第二示波器相连接。
由加热带和控温仪控制并显示腔内原子汽室的温度；利用信号发生器产生的三角波扫描信号，经高压放大器放大后加载到压电陶瓷上来调节腔长，从而实现调节腔膜的频率。
由第一平凹镜和第二平凹镜组成的驻波腔为近共心腔；腔内放置的原子汽室两端端面镀有相应激光波长的减反膜，以减少激光在腔内的线性损耗；利用饱和吸收谱装置和第一探测器来监视参考光作用于碱金属原子的能级，用电磁诱导透明装置和第二探测器来监视第一半导体激光器的频率失谐，利用第三探测器来探测驻波腔的透射谱信号；第一探测器和第二探测器探测的信号，分别通过第一BNC导线和第二BNC导线输入到第一示波器中来显示图像并存储数据，第一示波器的触发信号由第二半导体激光器提供；第三探测器的探测信号和信号发生器分出的三角波扫描信号分别通过第三BNC导线和第四BNC导线输入到第二示波器中，显示腔透射谱信号并保存数据，第二示波器的触发信号由信号发生器提供。当腔透射谱频率锁定在选定的透射峰峰值上时，腔输出的光斑模式通过反射率为1%的反射镜将反射光打入CCD摄像机来观测。
本发明不但有效地解决了现有产生高阶横模方法中，输出高阶模式单一、阶数相对较小、输出效率低等问题，而且极易实现不同高阶模式之间的转换，无需调节腔镜，操作简单，输出模式稳定，适用于研究量子关联成像，激光高阶横模的小位移精密测量、制备基于碱金属原子吸收线附近的高阶横模关联光场的种子光源、空间多模纠缠源、激光冷却与光学俘获以及量子信息存储等研究领域。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图。
图中：1-第一半导体激光器，2-第一光隔离器，3-第一半波片，4-第一偏振分光棱镜、5-第一全反镜，6-第二半波片，7-第二偏振分光棱镜，8-凸透镜，9-第一平凹腔镜，10-第三偏振分光棱镜，11-第二全反镜，12-原子汽室，13-加热带，14-控温仪，15-第四偏振分光棱镜，16-第三全反镜，17-第二平凹腔镜，18-压电陶瓷，19-高压放大器，20-信号发生器，21-反射率1%反射镜，22-CCD摄像机，23-第三探测器，24-第二半导体激光器，25-第二光隔离器，26-第三半波片，27-第五偏振分光棱镜，28-饱和吸收谱装置，29-第一探测器，30-第四半波片，31-电磁诱导透明装置，32-第二探测器，33-第一示波器，34-第二示波器，35-第一BNC导线，36-第二BNC导线，37-第三BNC导线，38-第四BNC导线。
图2是实施例中光场作用铯原子能级跃迁示意图。
图3是实施例中监测耦合场频率失谐示意图。
图4是实施例中给压电陶瓷加扫描信号时的腔透射谱图。
图5是实施例中腔长锁定在不同透射峰上时的高阶横模结果图。
图6是实施例中调节耦合场频率失谐和腔模失谐并锁定后获得的典型厄米高斯光斑效果图。
具体实施方式
一种原子-腔耦合产生高阶横模的方法，在由内充铯原子介质的原子汽室和驻波腔耦合的系统中，当频率、偏振和强度相同的一对强的相干耦合场对射穿过原子汽室内的铯原子介质时，形成驻波耦合场；再以一束弱的探针场以基模高斯光束耦合进驻波腔中并共振输出，共振输出的场称为腔模场，输出模式是基模高斯光；在耦合场频率相对原子共振中心满足一定失谐时，处于驻波耦合场中的原子汽室内铯原子介质对弱的腔模场的折射率产生周期性的调制，从而可诱发不同高阶横模在腔内振荡，通过调节驻波腔的腔长，可选择所需要的高阶横模输出在驻波腔腔长不变条件下，通过改变腔内铯原子汽室的温度或耦合场的频率失谐，可以改变腔内铯原子介质对腔模的折射率大小，从而实现高阶横模的模式改变。具体改变参数依据使用者实际需要的高阶模式而定。
下面结合实验装置，并通过一具体实例，对本发明的具体实施作一详细介绍。
图1是本发明的实验装置示意图。本发明所述实验装置主要分两部分，激光高阶横模产生系统和激光频率监视系统，其中，高阶横模产生系统核心部分是原子-腔耦合系统，本发明中，利用第一平凹腔镜9和第二平凹腔镜17组成近共心驻波腔，两块平凹腔镜的曲率半径均为100mm，反射率均为0.5%，腔长为175mm，将第三偏振分光棱镜10和第四偏振分光棱镜15水平置入共心腔内两端，腔内中心水平放置长度为75mm、直径为25mm的内充铯原子介质的原子汽室12，组成本发明中的核心部分——原子-腔耦合系统。其中，原子汽室12两端端面与共心腔轴心垂直，并镀有波长为895nm的减反膜，以削减玻璃表面对光场的反射损耗，原子汽室12外侧裹上带有热敏电阻的加热带13，加热带13通过导线与控温仪14连接，用于控制和显示原子汽室的温度，本具体实例中铯原子汽室温度控制在35°C；第二平凹腔镜17上装有筒状压电陶瓷18，通过导线与高压放大器19和信号发生器20连接，用以调节和锁定近共心腔的腔长，来实现改变腔模模式的目的。
激光高阶横模产生系统。首先，采用输出波长为894.5nm、频率可连续调谐的第一半导体激光器1作为产生高阶横模的激光光源，输出的激光先通过隔离比为60dB的第一光隔离器2，以消除光路中其他光学元件表面反馈回的激光对第一半导体激光器1的干扰，然后利用工作波长为894.5nm的第一半波片3和第一偏振分光棱镜4，将激光分成两束，其中从偏振分光棱镜4反射出的垂直偏振的光作为耦合光，通过第一全反镜5和第二全反镜11，导入至第三偏振分光棱镜10，垂直反射并穿过内充铯原子介质的原子汽室12后，通过第四偏振分光棱镜15反射出腔外，反射出的光通过镀有894.5nm减反膜的零度高反镜（即第三全反镜16）按原光路返回，与输入时的耦合光反向共线重合，在原子汽室内形成驻波耦合场；通过第一偏振分光棱镜4透射的光，再经过第二半波片6和第二偏振分光棱镜7分成两束，通过第二偏振分光棱镜7透射的光作为探针场，以水平偏振通过凸透镜8，匹配到原子-腔耦合系统中共振输出，共振输出的探针光经反射率1%反射镜21分成两束，反射的较弱探针光进入CCD摄像机22中，用于观察输出光的光斑模式，透射的较强探针光进入第三探测器23中，并通过第三BNC线37输入第二示波器34，用于监视输出探针光的透射谱。
激光频率监视系统。采用输出波长为894.5nm、频率可连续调谐的第二半导体激光器24作为监视高阶横模光频率的参考光源。首先，第二半导体激光器24输出的光经过第二光隔离器25后，经第三半波片26和第五偏振分光棱镜27分成两束，垂直反射的参考光进入饱和吸收谱装置28后，通过第一探测器29探测，并将探测信号通过第一BNC线35送入第一示波器33，显示饱和吸收谱信号；其次，经第五偏振分光棱镜27透射的光经第四半波片30后，与第二偏振分光棱镜7反射的光的偏振保持相互垂直，并同时输入电磁诱导透明装置31，产生电磁诱导透明信号；最后，利用第二探测器32探测经电磁诱导透明装置31后的参考光，并将探测信号经第二BNC线36送入示第一波器33，结合饱和吸收谱信号，来判断第一半导体激光器1的频率失谐。
图2是本具体实例中光场作用于原子能级跃迁示意图。耦合光（频率为ω c ）和探针光（频率为ω p ）都来自第一半导体激光器1，其频率锁定 在铯原子D1线作跃迁能级62 S 1/2，F g =4→62 P 1/2，F e =4附近，第二半导体激光器24 输出的光作为参考光（频率为ω r ），其频率在铯原子D1线作跃迁能级F g =4→F e =4共振中心附近连续扫描。
图3是由第一示波器33采集的标定第一半导体激光器1频率失谐示意图。图中曲线（1）是第一探测器29探测到的饱和吸收谱信号，图中横坐标代表参考光相对原子共振中心的频率失谐，横坐标0位置代表原子共振中心，参考光频率是在相对铯原子D1线跃迁能级62 S 1/2，F g =4→62 P 1/2，F e =4的共振中心±500兆赫兹范围内连续扫描；曲线（2）是由第二探测器32探测的电磁诱导透明信号，由于参考光和耦合光作用于同一跃迁能级附近，因此形成的是一个简并二能级结构下的电磁诱导透明效应，当参考光频率失谐与耦合光频率失谐相同时，满足双光子共振条件，因此会产生电磁诱导透明现象，即曲线（2）中的左侧很窄的类色散信号，而其所对应的横坐标值就是耦合光相对原子共振中心的频率失谐，即图中两条虚线对应的横坐标的间隔，本实例中，第一半导体激光器1（即耦合光）的频率失谐为Δc=-149MHz。
图4是由第二示波器34采集的腔透射谱示意图。从图中可以看到，当第一半导体激光器1的频率锁定在距原子共振中心失谐为Δc=-149MHz时，导致腔模场在一个自由光谱区范围内产生10个不同的模式，且强弱不一，分别用（1）、（2）、（3）、…、（10）标出，（1）和（1’）表示的是同一个模式，二者之间的时间间隔反应了腔扫描一个自由光谱区的时间。因此在本实例的实验参量条件下，在一个自由光谱区范围内，通过调节腔模失谐，可得到10个不同的高阶横模光束。
图5 是当腔长锁定在图4的不同腔模上时，通过CCD摄像机22观察到相应的横模模式。其中（1）——TEM00模，（2）——TEM05模，（3）——TEM010模，（4）——TEM02模，（5）——TEM07模，（6）——TEM04模，（7）——TEM01模，（8）——TEM07模，（9）——TEM03模，（10）——TEM08模。明显看出，模式（1）、（4）和（7）是比较好的厄米高斯模，而其他模式正好处于恩司高斯模和厄米高斯模，或恩司高斯模和拉盖尔高斯模的交叠状态，这时可通过调节耦合场频率失谐、改变腔内铯原子温度或腔模失谐，可改善横模模式，得到纯净的厄米高斯模式或拉盖尔高斯模，具体情况依使用者需求确定。
图6是在本具体实施例中通过调节耦合场频率失谐和腔模失谐获得的几种明亮的高阶厄米高斯模样式图。其中（1）——TEM04模，（2）——TEM07模，（3）——TEM11模，（4）——TEM22模，（5）——TEM24模，（6）——TEM44模。
实施例中详细地介绍了通过本发明产生高阶横模的方法和装置，利用894.5nm的激光作用于原子汽室-驻波腔系统，通过驻波耦合场对腔内铯原子介质的折射率调制，诱发腔内探针场产生高阶横模并共振输出。本发明还可推广到对应其他碱金属（如铷、钠等）原子介质吸收线附近的高阶横模光场的制备。通过本发明可产生阶数较高的明亮的横模光场，并且其频率对应原子吸收线附近，因此在量子关联成像，激光高阶横模的小位移精密测量、制备基于碱金属原子吸收线附近的高阶横模关联光场的种子光源、空间多模纠缠源、激光冷却与光学俘获以及量子信息存储等研究领域具有重要的应用价值。
Claims (9)
1.一种原子-腔耦合产生高阶横模的方法，其特征在于：在由内充碱金属原子介质的原子汽室和驻波腔耦合的系统中，当频率、偏振和强度相同的一对强的相干耦合场对射穿过原子汽室内的碱金属原子介质时，形成驻波耦合场；再以一束弱的探针场以基模高斯光束耦合进驻波腔中并共振输出，共振输出的场称为腔模场，输出模式是基模高斯光；在耦合场频率相对原子共振中心满足一定失谐时，处于驻波耦合场中的原子汽室内碱金属原子介质对弱的腔模场的折射率产生周期性的调制，从而可诱发不同高阶横模在腔内振荡，通过调节驻波腔的腔长，可选择所需要的高阶横模输出。
2.如权利要求1所述的一种原子-腔耦合产生高阶横模的方法，其特征在于：在驻波腔腔长不变条件下，通过改变腔内原子汽室的温度或耦合场的频率失谐，可以改变腔内碱金属原子介质对腔模的折射率大小，从而实现高阶横模的模式改变。
3.如权利要求1或2所述的一种原子-腔耦合产生高阶横模的方法，其特征在于：所述碱金属原子为铯原子。
4.一种原子-腔耦合产生高阶横模的装置，用于实现如权利要求1所述的方法，其特征在于：包括高阶横模激光产生系统；所述高阶横模激光产生系统包括第一半导体激光器（1）以及顺次位于第一半导体激光器（1）出射光路上的第一光隔离器（2）、第一半波片（3）、第一偏振分光棱镜（4）；第一偏振分光棱镜（4）的透射光路上顺次设有第二半波片（6）和第二偏振分光棱镜（7）；第二偏振分光棱镜（7）的透射光路上顺次设有凸透镜（8）以及原子-腔耦合系统；所述原子-腔耦合系统包括由顺次位于凸透镜（8）的透射光路上的第一平凹腔镜（9）和第二平凹腔镜（17）组成且配有腔长调节装置的近共心驻波腔；第一平凹腔镜（9）和第二平凹腔镜（17）之间顺次设有第三偏振分光棱镜（10）、内充碱金属原子介质的原子汽室（12）和第四偏振分光棱镜（15）；第一偏振分光棱镜（4）的反射光路上设有第一全反镜（5），第三偏振分光棱镜（10）的反射光路上设有第二全反镜（11），第二全反镜（11）同时位于第一全反镜（5）的反射光路上；第四偏振分光棱镜（15）的反射光路上设有第三全反镜（16）；经过第一偏振分光棱镜（4）反射的激光经过第一全反镜（5）、第二全反镜（11）以及第三偏振分光棱镜（10）的反射后作为第一束耦合场进入原子汽室（12）；同时该第一束耦合场穿过原子汽室（12）后经第四偏振分光棱镜（15）及第三全反镜（16）反射并按原路返回后作为第二束耦合场入射至原子汽室（12）且与第一束耦合场反向共线重合，在原子汽室（12）内形成驻波耦合场；由第二偏振分光棱镜（7）透射的激光作为探针场，以水平偏振通过凸透镜（8），匹配到原子-腔耦合系统中共振输出。
5.如权利要求4所述的一种原子-腔耦合产生高阶横模的装置，其特征在于：还包括高阶横模频率监视系统；所述高阶横模频率监视系统包括第二半导体激光器（24）、顺次位于第二半导体激光器（1）出射光路上的第二光隔离器（25）、第三半波片（26）、第五偏振分光棱镜（27）；第五偏振分光棱镜（27）的透射光路上顺次设有第四半波片（30）和电磁诱导透明装置（31）；第五偏振分光棱镜（27）的反射光路上设有饱和吸收谱装置（28）；电磁诱导透明装置（31）同时位于第二偏振分光棱镜（7）的反射光路上；饱和吸收谱装置（28）的信号输出端连接有第一探测器（29）；电磁诱导透明装置（31）的信号输出端连接有第二探测器（32）；第一探测器（29）和第二探测器（32）的信号输出端共同连接有第一示波器（33）；
近共心驻波腔的出射光路上设有反射率1%反射镜（21），反射率1%反射镜（21）的透射光路上设有第三探测器（23），反射率1%反射镜（21）的反射光路上设有CCD摄像机（22），第三探测器（23）的信号输出端连接有第二示波器（34）。
6.如权利要求5所述的一种原子-腔耦合产生高阶横模的装置，其特征在于：原子汽室（12）配有对其调节温度的加热带（13），加热带（13）配有控制和显示原子汽室（12）温度的控温仪（14）；所述近共心驻波腔的腔长调节装置包括与第二平凹腔镜（17）相连接的压电陶瓷（18），压电陶瓷（18）连接有高压放大器（19）；还包括与高压放大器（19）相连接的信号发生器（20），信号发生器（20）的一个信号输出端与高压放大器（19）连接，信号发生器（20）的另一个信号输出端与第二示波器（34）相连接。
7.如权利要求5或6所述的一种原子-腔耦合产生高阶横模的装置，其特征在于：所述碱金属原子为铯原子；耦合场和探针场都来自第一半导体激光器（1），其频率锁定在铯原子D1线作跃迁能级62 S 1/2，F g =4→62 P 1/2，F e =4附近，第二半导体激光器（24）输出的光作为参考光，其频率在铯原子D1线作跃迁能级F g =4→F e =4共振中心附近连续扫描。
8.如权利要求4~6任一项所述的一种原子-腔耦合产生高阶横模的装置，其特征在于：近共心驻波腔内放置的原子汽室（12）两端端面镀相应激光波长的减反膜。
9.如权利要求6所述的一种原子-腔耦合产生高阶横模的装置，其特征在于：第一探测器（29）和第二探测器（32）分别通过第一BNC导线（35）、第二BNC导线（36）连接至第一示波器（33）来显示探测的信号和存储数据，第一示波器（33）的触发信号由第二半导体激光器（24）提供；第三探测器（23）探测的腔透射信号和信号发生器（20）发出的三角波扫描信号分别由第三BNC导线（37）和第四BNC导线（38）连接至第二示波器（34）上来显示腔透射谱并保存数据，第二示波器（34）的触发信号由信号发生器（20）提供。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510865615.5A CN105375250B (zh) | 2015-12-02 | 2015-12-02 | 一种原子-腔耦合产生高阶横模的方法及装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510865615.5A CN105375250B (zh) | 2015-12-02 | 2015-12-02 | 一种原子-腔耦合产生高阶横模的方法及装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105375250A CN105375250A (zh) | 2016-03-02 |
| CN105375250B true CN105375250B (zh) | 2018-04-24 |
Family
ID=55377169
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510865615.5A Expired - Fee Related CN105375250B (zh) | 2015-12-02 | 2015-12-02 | 一种原子-腔耦合产生高阶横模的方法及装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105375250B (zh) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106290247B (zh) * | 2016-09-21 | 2019-05-24 | 华东理工大学 | 基于电磁诱导透明效应的连续波腔衰荡光谱装置及方法 |
| CN106681013B (zh) * | 2017-03-29 | 2019-01-25 | 山西大学 | 一种构建滤频反射镜的方法及设备 |
| CN106848824B (zh) * | 2017-03-31 | 2019-03-29 | 中国科学院国家授时中心 | 一种集成化激光系统及方法 |
| CN107800037A (zh) * | 2017-11-07 | 2018-03-13 | 西南技术物理研究所 | 一种三波长碱金属蒸气激光器 |
| CN108809439B (zh) * | 2018-05-07 | 2021-09-17 | 南京大学（苏州）高新技术研究院 | 一种基于一阶横模的二进制空间混沌激光通信系统 |
| CN113455107B (zh) * | 2018-11-02 | 2024-06-18 | 埃因霍温科技大学 | 强、窄带、完全相干、软x射线的可调谐源 |
| CN109520491B (zh) * | 2019-01-11 | 2024-02-23 | 中国科学技术大学 | 连续光轨道角动量谐振腔陀螺仪 |
| CN111049584B (zh) * | 2019-10-31 | 2022-09-13 | 同济大学 | 全光、宽频、低噪声相位门的实现方法 |
| CN114966983A (zh) * | 2022-04-29 | 2022-08-30 | 重庆邮电大学 | 一种三光学腔耦合系统及基于该系统的量子调控方法 |
| CN114937923B (zh) * | 2022-07-21 | 2022-09-20 | 华中科技大学 | 一种外腔半导体激光器系统 |
| CN117289488B (zh) * | 2023-09-18 | 2024-02-27 | 上海频准激光科技有限公司 | 一种基于原子气室调制的光束相位控制系统 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104882783A (zh) * | 2015-04-16 | 2015-09-02 | 山西大学 | 一种实现双向光学二极管的方法及装置 |
| CN104898288A (zh) * | 2015-06-02 | 2015-09-09 | 清华大学 | 紧凑型半导体激光装置及双光子偏振纠缠源产生系统 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090256638A1 (en) * | 2008-03-28 | 2009-10-15 | Michael Rosenbluh | Atomic frequency standard based on enhanced modulation efficiency semiconductor lasers |
-
2015
- 2015-12-02 CN CN201510865615.5A patent/CN105375250B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104882783A (zh) * | 2015-04-16 | 2015-09-02 | 山西大学 | 一种实现双向光学二极管的方法及装置 |
| CN104898288A (zh) * | 2015-06-02 | 2015-09-09 | 清华大学 | 紧凑型半导体激光装置及双光子偏振纠缠源产生系统 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 《电磁诱导透明介质中光场的量子噪声特性研究》;李媛;《中国博士学位论文全文数据库》;20131231;第五章 * |
| 《铯原子中驻波场作用下可控光子带隙的研究》;李大为;《中国优秀硕士学位论文全文数据库》;20091231;第四章 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105375250A (zh) | 2016-03-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105375250B (zh) | 一种原子-腔耦合产生高阶横模的方法及装置 | |
| US7599405B2 (en) | Method and apparatus for coherently combining multiple laser oscillators | |
| US9703045B2 (en) | Systems and methods for laser frequency stabilization using an arbitrarily birefringent resonator | |
| EP1683284B1 (en) | All-optical signal processing method and device | |
| CN100407523C (zh) | 相干光源以及光学装置 | |
| CN106058626A (zh) | 锁定至回音壁模式谐振腔的可调谐激光器 | |
| WO2020057716A1 (en) | Generating optical pulses via a soliton state of an optical microresonator coupled with a chip based semiconductor laser | |
| CN103460526A (zh) | 具有大的梳间距的频梳源 | |
| O’shea et al. | All-optical switching and strong coupling using tunable whispering-gallery-mode microresonators | |
| CN110018631A (zh) | 应用法拉第激光抽运探测的铯原子微波频率标准及其实现方法 | |
| EP2710694A2 (en) | Generation of single optical tone, rf oscillation signal and optical comb in a triple-oscillator device based on nonlinear optical resonator | |
| CN108988112A (zh) | 一种矢量或涡旋光场光纤激光器 | |
| Lefèvre-Seguin | Whispering-gallery mode lasers with doped silica microspheres | |
| US20020105998A1 (en) | Ring resonator based narrow-linewidth semiconductor lasers | |
| CN104570206B (zh) | 基于光子晶体驻波谐振的分束方法 | |
| Yoon et al. | Laser-cooled cesium atoms confined with a magic-wavelength dipole trap inside a hollow-core photonic-bandgap fiber | |
| Nguyen et al. | Operating a near-concentric cavity at the last stable resonance | |
| Shao-Kai et al. | Cooling and trapping 88Sr atoms with 461 nm laser | |
| Veron et al. | Continuous 250 mW gas discharge DCN laser at 195 μm | |
| TW200417104A (en) | Method and apparatus for coherently combining multiple laser oscillators | |
| CN106681013B (zh) | 一种构建滤频反射镜的方法及设备 | |
| Lippert et al. | High power multi-wavelength infrared source | |
| Dantan et al. | Large ion Coulomb crystals: A near-ideal medium for coupling optical cavity modes to matter | |
| CN110187586A (zh) | 紧凑型单晶体薄腔和运用该薄腔的纠缠光子源系统 | |
| Yang | Latest advances in COIL at Dalian |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180424 |