CN105514795B - 基于速度选择技术操控原子布居转移的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于速度选择技术操控原子布居转移的装置及方法。一种基于速度选择技术操控原子布居转移的装置，包括顺次位于光路上的飞秒光学频率梳、激光隔离器、第三全反射镜、第四全反射镜、宽带滤光片、凸透镜、原子蒸汽泡、吸光片；还包括顺次位于光路上的半导体激光器、第一全反射镜、第一四分之一波片、第一偏振分束棱镜、第二全反射镜、第五全反射镜、第二四分之一波片、第二偏振分束棱镜、光电探测器；探测器由BNC线连接到示波器上。有效地解决了现阶段内操控原子布居数转移的方法的精确性差、效率低、覆盖原子能级数目少、可调性差等问题。整个装置及方法具有结构简单、操作简便、易于调节、外界干扰小、稳定性强、精确度极高的优点。

Description

基于速度选择技术操控原子布居转移的装置及方法

技术领域

本发明涉及对原子在其能级布居数的操控，具体是一种基于速度选择技术操控原子布居转移的装置及方法。

背景技术

利用超快激光结合原子物理是近二十年发展起来的光学和原子物理学的一个热门交叉学科。利用超快激光结合原子物理创建数百个或数千个量子比特构成栅格是目前实现量子计算机公认的最有效的载体与手段。不同于传统的二进制，一个量子比特可以同时输入一个叠加状态，其中0和1是同时有效的。当在该状态下的量子比特共同工作，就可以完成对于传统硬件来说不可能完成的复杂计算。目前，世界上许多国家都在研究量子计算机。量子计算机未来在军事、经济与科学研究中都占有重要的地位。有效操控原子在其精细能级上的布居，对于量子计算机与量子通讯有重要的意义。

目前，国际上主要采用单频激光光学泵浦或者宽带光泵浦的方法来实现操控原子在其精细能级上的分布。单频激光因其激光功率高，频率准确的对应于具体原子的能级，使得其操控确定能态上的原子数效率极高。单频激光操控原子在其精细能级上分布的缺点是：只能操控原子能级跃迁频率与激光频率相对应的单个能级上的原子数分布，如果要操控多条不同能级上原子数的布居需要大量频率不同的激光器，价格高昂且使用不便。宽带光源操控原子在其精细能级上分布的优势在于，其极宽的谱线范围可以覆盖原子几乎所有的能级，但因为宽带光不具备激光的特点使得其激发原子跃迁的效率极低，以至于此种方法极少使用。基于此，急需发明一种即可以像单频激光那样高效的激发原子到特定的能级，又可以像宽带光一样同时覆盖几乎所有的原子能级的装置与方法。

发明内容

本发明为解决现有技术中单一单频率激光覆盖不了所有原子能级，如果要操控原子所有能级的布居数需要上百台单频激光器；而宽带光源虽然可以覆盖几乎所有原子能级但宽带光源激发原子跃迁的效率太低的技术问题，提供了一种既可以像单频激光那样高效的激发原子到特定的能级，又可以像宽带光一样同时覆盖几乎所有的原子能级的装置与方法。

本发明所述的基于速度选择技术操控原子布居转移的装置是采用如下技术方案实现的：一种基于速度选择技术操控原子布居转移的装置,包括飞秒光学频率梳、顺次位于飞秒光学频率梳出射光路上的激光隔离器、第三全反射镜和第四全反射镜，第四全反射镜的反射光路上顺次设有滤光片、凸透镜以及内充碱金属原子蒸气的原子蒸汽泡；经凸透镜聚焦后的激光在穿过原子蒸汽泡后的光路上设有吸光片；还包括半导体激光器、顺次位于半导体激光器出射光路上的第一全反射镜、第一四分之一波片和第一偏振分束棱镜；第一偏振分束棱镜的透射光路上设有第二全反射镜；所述第二全反射镜的反射光路穿过原子蒸汽泡且在穿过原子蒸汽泡后的光路上设有第五全反射镜，第五全反射镜的反射光路上顺次设有第二四分之一波片和第二偏振分束棱镜，第二偏振分束棱镜的透射光路上设有光电探测器；光电探测器的信号输出端连接有示波器；所述第二反射镜的反射光路与经凸透镜汇聚后的激光在原子蒸汽泡内尽可能多的重合。

工作时，半导体激光器输出的连续激光依次被第一全反射镜反射后透过第一四分之一波片入射到第一偏振分束棱镜，经第一偏振分束棱镜透射的激光又经第二全反射镜反射，透射光穿过原子蒸汽泡，穿过原子蒸汽泡的激光经第五全反射镜反射后穿过第二四分之一波片与第二偏振分束棱镜后被光电探测器探测，探测到的光信号转换成为电信号后输入到示波器；飞秒光学频率梳输出的高稳定性宽带飞秒激光（300-1000nm）穿过激光隔离器后由第三全反射镜与第四全反射镜准直后，通过滤光片后由凸透镜汇聚后穿过原子蒸汽泡后入射到吸光片上；工作中，通过第一与第二全反射镜结合第三与第四全反射镜使得飞秒激光与半导体激光器输出的连续激光在原子蒸汽泡中尽可能多的重合，凸透镜起到汇聚飞秒激光的作用，滤光片的从宽带飞秒激光（300-1000nm）中选择出所需要频率的激光，通过更换滤光片即可以选择出对应于原子不同能级的激光，吸光片起到吸收出射的飞秒激光的作用；具体操作中扫描半导体激光的频率并且保持宽带飞秒激光的频率不变，穿过原子蒸汽泡的连续激光经过第五全反射镜反射后穿过第二四分之一波片与第二偏振分束棱镜后被光电探测器探测，其中第二四分之一波片与第二偏振分束棱镜保证进入光电探测器的激光为线偏光；探测信号输入到示波器上显示。首先，通过滤光片从宽带飞秒激光中初步选择出相应原子能级（希望被操控布居数的原子能级）所需要的激光频率，然后通过调节飞秒光学频率梳的偏置频率与重复频率就可以精确操控原子在其能级上的布居数分布。此方法与现有操控原子在其能级上布居数分布的技术（固定频率的激光）相比，本发明所述的精确测量原子全部能级装置通过更换原子蒸汽泡与相应的滤光片结合调节光学频率梳的偏置频率与重复频率即可以高效且精确的操控任意原子的在其几乎全部能级上的布居分布，其高效、全面、简便的特点给操控原子在其能级上的布居分布的技术带来了重大突破。

工作时，扫描半导体激光器的频率，飞秒光学频率梳输出的高稳定性宽带激光经过滤光片选择出相应原子能级的激光频率，然后调节光学频率梳的偏置频率与重复频率就可以精确操控原子在其能级上的布居数分布，通过示波器探测速度选择原子梳状光谱就可以显示出对原子在其精细能级上布居数的操控。

进一步的，还包括一个其上开有入射端口和出射端口的磁屏蔽罩；所述原子蒸汽泡置于磁屏蔽罩内；所述飞秒光学频率梳出射的激光在经过第三全反射镜和第四全反射镜准直以及滤光片与凸透镜聚焦后由入射端口进入磁屏蔽罩且穿过原子蒸汽泡，之后由磁屏蔽罩的出射端口出射并被吸光片吸收；所述半导体激光器出射的连续激光经第一全反射镜反射后穿过第一四分之一波片、第一偏振分束棱镜并由第二全反射镜反射经入射端口进入磁屏蔽罩且穿过原子蒸汽泡并由磁屏蔽室的出射端口出射。

磁屏蔽罩能够有效防止外部电磁噪声的干扰，确保对碱金属原子的布居转移操控更加精确。

进一步的，还包括一个腔体；所述半导体激光器、第一全反射镜、第一四分之一波片、第一偏振分束棱镜、第二全反射镜、磁屏蔽罩、原子蒸汽泡、第五全反射镜、光电探测器、示波器、飞秒光学频率梳、激光隔离器、第三全反射镜、第四全反射镜、滤光片、凸透镜、吸光片均设于腔体内；光电探测器的信号输出端通过BNC线与示波器连接。

工作时，腔体起到隔离保护的作用。各个部件可以在腔体内将位置固定后，做成一个集约化便于携带的装置，方便移动，同时免去了组装的复杂工序，节约了时间。

本发明所述的基于速度选择技术操控原子布居转移的方法是采用如下技术方案实现的：一种基于速度选择技术操控原子布居转移的方法，包括如下步骤：半导体激光器输出的连续激光被第一全反射镜反射后透过第一四分之一波片入射到第一偏振分束棱镜，经第一偏振分束棱镜透射的激光经第二全反射镜反射后穿过原子蒸汽泡，穿过原子蒸汽泡的激光经第五全反射镜反射后穿过第二四分之一波片与第二偏振分束棱镜后被光电探测器探测，探测到的光信号转换成为相应的电信号后输入到示波器；飞秒光学频率梳输出的高稳定性宽带飞秒激光穿过激光隔离器后由第三全反射镜与第四全反射镜准直后穿过滤光片，经由凸透镜汇聚后穿过原子蒸汽泡并入射到吸光片上；工作中，通过第一全反射镜、第二全反射镜结合第三全反射镜与第四全反射镜使得飞秒光学频率梳输出的宽带激光与半导体激光器输出的连续激光尽可能多的重合，滤光片从高稳定性宽带飞秒激光中选择出所需要频率的激光，通过更换滤光片即可以选择出对应于碱金属原子不同能级的激光；扫描半导体激光器出射激光的频率并且保持飞秒光学频率梳的频率不变，通过滤光片从高稳定性宽带飞秒激光中初步选择出碱金属原子相应原子能级所需要的激光频率，然后通过调节飞秒光学频率梳的偏置频率与重复频率就可以精确操控碱金属原子在相应能级上的布居数分布；通过示波器获得的原子速度选择光谱即展示了对原子在其精细能级上布居数的操控。

飞秒光学频率梳的发明把时域和频域很好的联系了起来，这一重大突破被广泛的认为是频率测量历史上具有革命性意义的进展。飞秒光学频率梳输出的宽带激光（300-1000nm），使用不同窄带滤光片可以选择出相关的一系列不同频率的激光，相当于得到了300-1000nm的无数个单频激光光源，为高效操控原子在不同能级的布居数提供了可能性。在这里，本申请首次提出了基于速度选择技术操控原子布居转移的方法及装置。此种方法把光梳的等间隔，有几百万个梳齿的优势转移到原子光谱中，使得获得的原子光谱具有光梳的优势。顾名思义，获得的原子梳状光谱具有等间隔如梳齿样子的光谱。梳状光谱具有光梳的特性，谱线之间等间隔即光梳重复率的间隔。梳状光谱与光梳类似具有两个自由度，通过调节光梳的重复频率与偏置频率就可以调节梳状光谱谱线的位置，从而调节原子的布居数分布。此种技术可以同时操控几乎所有原子能级的布居数分布，并且飞秒脉冲激发原子跃迁的几率极高，高效的解决了目前缺少既可以像单频激光那样高效的激发原子到特定的能级，又可以像宽带光一样同时覆盖几乎所有的原子能级的方法与装置的问题。

同时，此种技术不需要使用许多不同频率的激光器，只需要更换不同的滤波片就可以操控原子在其几乎所有精细能级布居，如普通采用的方法操控原子在其精细能级的布居需要几十到上百台激光器，此方法使用一台飞秒光学频率梳就可以代替上百台激光器，此方法极大的降低了操控原子在其全部能级上布居所使用激光器的费用，一台半导体激光器结合一台飞秒激光器就可以替代上百台激光器高效的简化了操作方法降低了费用。除此之外，采用速度选择原子梳光谱技术操控原子能级的速度可达到飞秒的量级，超快的操控原子在不同能级的的布居为量子计算机的实现提供了保证。

本发明有效的解决了现有技术中单一单频率激光覆盖不了所有原子能级，如果要操控原子所有能级的布居分布需要上百台单频激光器；而宽带光源虽然可以覆盖几乎所有原子能级但宽带光源激发原子跃迁的效率太低。提供了一种既可以像单频激光那样高效的激发原子到特定的能级，又可以像宽带光一样同时覆盖几乎所有的原子能级的方法与装置。

附图说明

图1是本发明所述装置的结构示意图。

1-飞秒光学频率梳，2-激光隔离器，3-第三全反射镜,4-第四全反射镜， 5-第二全反射镜，6-半导体激光器，7-第一全反射镜，8-第一四分之一波片，9-第一偏振分束棱镜，10-滤光片，11-凸透镜，12-磁屏蔽罩，13-原子蒸气泡，14-吸光片，15-第五全反射镜，16-第二四分之一波片，17第二偏振分束棱镜，18-光电探测器，19-BNC线，20-示波器，21-腔体。

图2操控原子布居转移与没有操控的吸收谱对比图。

图中深色实线（实质审查参考图2为黑色）是没有操控布居转移的吸收谱，浅色实线（实质审查参考图2为红色）是采用速度选择技术操控原子布居转移后的吸收谱，可以看出原子布居数被高效的操控了。

图3是速度选择技术操控原子布居转移光谱图。

图中饱和吸收光谱用于标定原子能级位置。

速度选择技术操控原子布居转移光谱图具有类光梳结构，能级跃迁谱线间距为光学频率梳重复频率。

具体实施方式

一种基于速度选择技术操控原子布居转移的装置,包括飞秒光学频率梳1、顺次位于飞秒光学频率梳1出射光路上的激光隔离器2、第三全反射镜3和第四全反射镜4，第四全反射镜4的反射光路上顺次设有滤光片10、凸透镜11以及内充碱金属原子蒸气的原子蒸汽泡13；经凸透镜11聚焦后的激光在穿过原子蒸汽泡13后的光路上设有吸光片14；还包括半导体激光器6、顺次位于半导体激光器6出射光路上的第一全反射镜7、第一四分之一波片8和第一偏振分束棱镜9；第一偏振分束棱镜9的透射光路上设有第二全反射镜5；所述第二全反射镜5的反射光路穿过原子蒸汽泡13且在穿过原子蒸汽泡13后的光路上设有第五全反射镜15，第五全反射镜15的反射光路上顺次设有第二四分之一波片16和第二偏振分束棱镜17，第二偏振分束棱镜17的透射光路上设有光电探测器18；光电探测器18的信号输出端连接有示波器20；所述第二反射镜5的反射光路与经凸透镜11汇聚后的激光在原子蒸汽泡13内尽可能多的重合。

还包括一个其上开有入射端口和出射端口的磁屏蔽罩12；所述原子蒸汽泡13置于磁屏蔽罩12内；所述飞秒光学频率梳1出射的激光在经过第三全反射镜3和第四全反射镜4准直以及滤光片10与凸透镜11聚焦后由入射端口进入磁屏蔽罩12且穿过原子蒸汽泡13，之后由磁屏蔽罩12的出射端口出射并被吸光片14吸收；所述半导体激光器6出射的连续激光经第一全反射镜7反射后穿过第一四分之一波片8、第一偏振分束棱镜9并由第二全反射镜5反射经入射端口进入磁屏蔽罩12且穿过原子蒸汽泡13并由磁屏蔽罩12的出射端口出射。

还包括一个腔体21；所述半导体激光器6、第一全反射镜7、第一四分之一波片8、第一偏振分束棱镜9、第二全反射镜5、磁屏蔽罩12、原子蒸汽泡13、第五全反射镜15、光电探测器18、示波器20、飞秒光学频率梳1、激光隔离器2、第三全反射镜3、第四全反射镜4、滤光片10、凸透镜11、吸光片14均设于腔体21内；光电探测器18的信号输出端通过BNC线19与示波器20连接。

所述第一全反射镜7、第二全反射镜5、第三全反射镜3、第四全反射镜4、第五全反射镜15均为宽带介质膜全反射镜；滤光片10为带宽20nm的宽带滤光片；所述第一偏振分束棱镜9与第二偏振分束棱镜17的通光带宽为300-900nm；所述第一四分之一波片8与第二四分之一波片16通光带宽为300-900nm；所述凸透镜11采用直径为50mm、焦距为1m、带宽为350-900 nm的凸透镜；飞秒光学频率梳1为Menlo System 公司生产的型号为FC1500，重复频率为250MHz, 输出的宽带光谱为（300-1000nm）可以通过扫描重复频率来扫描输出的宽带光谱频率,所述半导体激光器6为Toptica公司生产的DLpro。

一种基于速度选择技术操控原子布居转移的方法，包括如下步骤：半导体激光器6输出的连续激光被第一全反射镜7反射后透过第一四分之一波片8入射到第一偏振分束棱镜9，经第一偏振分束棱镜9透射的激光经第二全反射镜5反射后穿过原子蒸汽泡13，穿过原子蒸汽泡13的激光经第五全反射镜15反射后穿过第二四分之一波片16与第二偏振分束棱镜17后被光电探测器18探测，探测到的光信号转换成为相应的电信号后输入到示波器20；飞秒光学频率梳1输出的高稳定性宽带飞秒激光穿过激光隔离器2后由第三全反射镜3与第四全反射镜4准直后穿过滤光片10，经由凸透镜11汇聚后穿过原子蒸汽泡13并入射到吸光片14上；工作中，通过第一全反射镜7、第二全反射镜5结合第三全反射镜3与第四全反射镜4使得飞秒光学频率梳1输出的宽带激光与半导体激光器6输出的连续激光尽可能多的重合，滤光片10从高稳定性宽带飞秒激光中选择出所需要频率的激光，通过更换滤光片10即可以选择出对应于碱金属原子不同能级的激光；扫描半导体激光器6出射的激光的频率并且保持飞秒光学频率梳1的频率不变，通过滤光片10从高稳定性宽带飞秒激光中初步选择出碱金属原子相应原子能级所需要的激光频率，然后通过调节飞秒光学频率梳1的偏置频率与重复频率就可以精确操控碱金属原子在相应能级上的布居数分布；通过示波器20获得的原子速度选择光谱即展示了对原子在其精细能级上布居数的操控。

滤光片10与凸透镜11依次串接而成频率选择与激光聚焦光路；由第一全反射镜7、第一四分之一波片8、第一偏振分束棱镜9、第二全反射镜5组成的起偏与准直光路；由第一四分之一波片16与第一偏振分束棱镜17依次连接起来的偏振检测光路；凸透镜11起到汇聚飞秒激光的作用。

Claims (5)

1.一种基于速度选择技术操控原子布居转移的装置,其特征在于，包括飞秒光学频率梳（1）、顺次位于飞秒光学频率梳（1）出射光路上的激光隔离器（2）、第三全反射镜（3）和第四全反射镜（4），第四全反射镜（4）的反射光路上顺次设有滤光片（10）、凸透镜（11）以及内充碱金属原子蒸气的原子蒸汽泡（13）；经凸透镜（11）聚焦后的激光在穿过原子蒸汽泡（13）后的光路上设有吸光片（14）；还包括半导体激光器（6）、顺次位于半导体激光器（6）出射光路上的第一全反射镜（7）、第一四分之一波片（8）和第一偏振分束棱镜（9）；第一偏振分束棱镜（9）的透射光路上设有第二全反射镜（5）；所述第二全反射镜（5）的反射光路穿过原子蒸汽泡（13）且在穿过原子蒸汽泡（13）后的光路上设有第五全反射镜（15），第五全反射镜（15）的反射光路上顺次设有第二四分之一波片（16）和第二偏振分束棱镜（17），第二偏振分束棱镜（17）的透射光路上设有光电探测器（18）；光电探测器（18）的信号输出端连接有示波器（20）；所述第二全反射镜（5）的反射光路与经凸透镜（11）汇聚后的激光在原子蒸汽泡（13）内尽可能多的重合。

2.如权利要求1所述的基于速度选择技术操控原子布居转移的装置,其特征在于，还包括一个其上开有入射端口和出射端口的磁屏蔽罩（12）；所述原子蒸汽泡（13）置于磁屏蔽罩（12）内；所述飞秒光学频率梳（1）出射的激光在经过第三全反射镜（3）和第四全反射镜（4）准直以及滤光片（10）与凸透镜（11）聚焦后由入射端口进入磁屏蔽罩（12）且穿过原子蒸汽泡（13），之后由磁屏蔽罩（12）的出射端口出射并被吸光片（14）吸收；所述半导体激光器（6）出射的连续激光经第一全反射镜（7）反射后穿过第一四分之一波片（8）、第一偏振分束棱镜（9）并由第二全反射镜（5）反射经入射端口进入磁屏蔽罩（12）且穿过原子蒸汽泡（13）并由磁屏蔽罩（12）的出射端口出射。

3.如权利要求2所述的基于速度选择技术操控原子布居转移的装置,其特征在于，还包括一个腔体（21）；所述半导体激光器（6）、第一全反射镜（7）、第一四分之一波片（8）、第一偏振分束棱镜（9）、第二全反射镜（5）、磁屏蔽罩（12）、原子蒸汽泡（13）、第五全反射镜（15）、光电探测器（18）、示波器（20）、飞秒光学频率梳（1）、激光隔离器（2）、第三全反射镜（3）、第四全反射镜（4）、滤光片（10）、凸透镜（11）、吸光片（14）均设于腔体（21）内；光电探测器（18）的信号输出端通过BNC线（19）与示波器（20）连接。

4.如权利要求2或3所述的基于速度选择技术操控原子布居转移的装置,其特征在于，所述第一全反射镜（7）、第二全反射镜（5）、第三全反射镜（3）、第四全反射镜(4)、第五全反射镜(15)均为宽带介质膜全反射镜；滤光片(10)为带宽20nm的宽带滤光片；所述第一偏振分束棱镜(9)与第二偏振分束棱镜(17)的通光带宽为300-900nm；所述第一四分之一波片(8)与第二四分之一波片(16)通光带宽为300-900nm；所述凸透镜(11)采用直径为50mm、焦距为1m、带宽为350-900 nm的凸透镜；所述飞秒光学频率梳(1)的重复频率为250MHz, 输出的宽带光谱为300-1000nm。

5.一种基于速度选择技术操控原子布居转移的方法，采用如权利要求2~4任一项所述的装置，其特征在于，包括如下步骤：半导体激光器（6）输出的连续激光被第一全反射镜（7）反射后透过第一四分之一波片（8）入射到第一偏振分束棱镜（9），经第一偏振分束棱镜（9）透射的激光经第二全反射镜（5）反射后穿过原子蒸汽泡（13），穿过原子蒸汽泡（13）的激光经第五全反射镜（15）反射后穿过第二四分之一波片（16）与第二偏振分束棱镜（17）后被光电探测器（18）探测，探测到的光信号转换成为相应的电信号后输入到示波器（20）；飞秒光学频率梳（1）输出的高稳定性宽带飞秒激光穿过激光隔离器（2）后由第三全反射镜（3）与第四全反射镜（4）准直后穿过滤光片（10），经由凸透镜（11）汇聚后穿过原子蒸汽泡（13）并入射到吸光片（14）上；工作中，通过第一全反射镜（7）、第二全反射镜（5）结合第三全反射镜（3）与第四全反射镜（4）使得飞秒光学频率梳（1）输出的宽带激光与半导体激光器（6）输出的连续激光尽可能多的重合，滤光片（10）从高稳定性宽带飞秒激光中选择出所需要频率的激光，通过更换滤光片（10）即可以选择出对应于碱金属原子不同能级的激光；扫描半导体激光器（6）出射的激光的频率并且保持飞秒光学频率梳（1）的频率不变，通过滤光片（10）从高稳定性宽带飞秒激光中初步选择出碱金属原子相应原子能级所需要的激光频率，然后通过调节飞秒光学频率梳（1）的偏置频率与重复频率就可以精确操控碱金属原子在相应能级上的布居数分布；通过示波器（20）获得的原子速度选择光谱即展示了对原子在其精细能级上布居数的操控。