CN108132571A - 基于四波混频的原子滤波系统及方法 - Google Patents

基于四波混频的原子滤波系统及方法 Download PDF

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张国万
王增斌
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Chongqing Kun Technology Co., Ltd.
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    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
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    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
    • G02F1/3536—Four-wave interaction

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  • Nonlinear Science (AREA)
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  • Optics & Photonics (AREA)
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Abstract

本申请公开了一种基于四波混频的原子滤波系统，滤波系统包括：光接收系统，用于接收待探测的信号激光以及背景光；激光器，用于发射泵浦激光，泵浦激光包括至少一个频率成分；原子池，用于接收泵浦激光和信号激光，且泵浦激光及信号激光在原子池中原子的作用下以四波混频方式产生第一辐射光和第二辐射光；探测系统，用于在不受背景光的影响下探测第二辐射光，并利用第二辐射光的光功率表征信号激光的光功率。通过上述方式，本申请能够实现对信号激光的窄带滤波及放大，使对信号激光的探测功率进一步降低，增加其通信距离、测距距离以及成像距离等，提高相关仪器的整体性能指标。

Description

基于四波混频的原子滤波系统及方法
技术领域
本申请涉及原子滤波技术领域，特别是涉及一种基于四波混频的原子滤波系统及方法。
背景技术
自由空间激光通信、激光成像以及激光测距等，都需要在太阳光宽频带连续背景下接收微弱信号，背景光噪声给这些技术带来了很大的困难，因此滤除太阳背景光，可极大的改善基于此类技术的仪器信噪比，提升仪器性能，大大的拓展此类技术在军民领域的应用。
一般的干涉滤光片能够滤掉大部分背景光，但是其带宽难以做到很窄，仍然有大量的背景光存在，难以满足现代激光通信、成像以及测距的要求。原子具有分立的能级，其吸收与发射谱线具有较窄的线宽，基于此发展起来的原子滤波技术其带宽能够达到0.001nm级，具有较好的滤光效果，极大的改善了相关仪器的性能，使得相关仪器在白天也能够较好的工作。且原子滤波原理基于光与原子相互作用，一般为基于原子共振吸收频率转移的滤波技术和基于法拉第效应引起光场偏振变化滤波技术。其中，共振滤波主要思想就是，在与原子跃迁共振的激光作用下，原子跃迁到激发态，然后原子发射荧光，探测荧光即等价于探测激光，由于原子能级跃迁线宽很窄，其它不共振的背景光不能引起原子发射荧光，这样便实现了窄线宽原子滤波求。
但是，现有技术中的原子共振滤波技术存在如下问题：只能实现对与原子跃迁相共振的激光进行滤波，可实现滤波的波长较少，转换效率低，不利于微弱信号的滤波以及滤波响应时间长等。
发明内容
本申请提供一种基于四波混频的原子滤波系统及方法，实现对信号激光的窄带滤波及放大，使对信号激光的探测功率进一步降低，增加其通信距离、测距距离以及成像距离等，提高相关仪器的整体性能指标。
为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种基于四波混频的原子滤波系统，滤波系统包括：光接收系统，用于接收待探测的信号激光以及背景光；激光器，用于发射泵浦激光，所述泵浦激光包括至少一个频率成分；原子池，用于接收所述泵浦激光和所述信号激光，且所述泵浦激光及所述信号激光在所述原子池中原子的作用下以四波混频方式产生第一辐射光和第二辐射光，其中所述第一辐射光的频率和传输方向与所述信号激光的频率和传输方向相同，所述第二辐射光的频率或传输方向不同于所述背景光；探测系统，用于在不受所述背景光的影响下探测所述第二辐射光，并利用所述第二辐射光的光功率表征所述信号激光的光功率。
为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种基于四波混频的原子滤波方法，所述方法包括：接收待检测的信号激光和背景光；将所述信号激光、所述背景光和泵浦激光入射至原子池中，且所述泵浦激光及所述信号激光在所述原子池中原子的作用下以四波混频方式产生第一辐射光和第二辐射光，其中所述第一辐射光的频率和传输方向与所述信号激光的频率和传输方向相同，所述第二辐射光的频率或传输方向不同于所述背景光；在不受所述背景光的影响下探测所述第二辐射光，并利用所述第二辐射光的光功率表征所述信号激光的光功率。
本申请的有益效果是：提供一种基于四波混频的原子滤波系统及方法，通过四波混频效应，实现了对信号激光的窄带滤波及放大，使对信号激光的探测功率进一步降低，增加其通信距离、测距距离以及成像距离等，提高相关仪器的整体性能指标。
附图说明
图1是本申请基于四波混频的原子滤波系统第一实施方式的结构示意图；
图2是本申请基于四波混频的原子滤波一原理示意图；
图3是本申请四波混频相位匹配条件第一实施方式的示意图；
图4是本申请基于四波混频的原子滤波系统第二实施方式的结构示意图；
图5是本申请基于四波混频的原子滤波另一原理示意图；
图6是本申请四波混频相位匹配条件第二实施方式的示意图；
图7是本申请基于四波混频的原子滤波系统第三实施方式的结构示意图；
图8是本申请四波混频相位匹配条件第三实施方式的示意图；
图9是本申请基于四波混频的原子滤波方法一实施方式的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
请参阅图，图1为本申请基于四波混频的原子滤波系统第一实施方式的结构示意图。本实施例中所提供的原子滤波系统10包括：光接收系统11、激光器12、原子池13以及探测系统14。
光接收系统11用于接收待探测的信号激光以及背景光。在本申请一应用场景中，待探测信号激光的频率设为ωs，为了区分背景光的频率设为ωb。光接收系统11包括滤光片111，且滤光片111设置有一通过范围，可以允许信号激光ωs以及频率处于通过范围内的一部分背景光ωb通过，并过滤频率处于通过范围外的另一部分背景光ωb。可选地，该滤光片111为带通滤光片，其带通中心频率和信号激光ωs的中心频率相同。
激光器12，用于发射泵浦激光，泵浦激光包括至少一个频率成分。本实施例中采用单个激光器12，且激光器12的发射功率密度应尽量大，本实施例中激光器12的功率密度设置为不小于800mW/mm2，其发射的泵浦激光的频率可以设为ωp。当然在其它实施例中，也可以采用两个独立的激光器产生量频率成分不相同的两泵浦激光。
原子池13，用于接收泵浦激光ωp和信号激光ωs，且泵浦激光ωp及信号激光ωs在原子池13中原子的作用下以四波混频方式产生第一辐射光ω's和第二辐射光ωf，其中第一辐射光ω's的频率和传输方向与信号激光ωs的频率和传输方向相同，第二辐射光ωf的频率或传输方向不同于背景光ωb，且第二辐射光ωf的频率处于滤光片111的通过范围之外。在具体实施例中，原子池13中的原子的选择可以根据信号激光的频率来确定，不同信号激光选择不同的原子，且为了使原子池13中的原子数目足够多，控制原子池13的温度不小于100℃。
进一步参见图1，在具体实施例中，该原子滤波系统10还可以包括一反射器件A，该反射器件A用于将经过滤光片111的信号激光ωs和部分处于滤光片111通过范围内的一部分背景光ωb反射至原子池13中。其中，通过进一步设置激光器12发射的泵浦激光ωp的出射方向和信号激光ωs的传输方向成预设夹角，以使得第二辐射光ωf与第一辐射光ω's的传输方向不同。可选地，设置泵浦激光ωp的出射方向和信号激光ωs的传输方向的预设夹角为不小于0.3度。当然在其它实施例中，也可以是其他角度值，本申请不做进一步限定。
探测系统14，用于在不受背景光ωb的影响下探测第二辐射光ωf，并利用第二辐射光ωf的光功率表征信号激光ωs的光功率。
请一并参阅图2及图3，图2为本申请基于四波混频的原子滤波原理示意图，图3为本申请四波混频相位匹配条件一实施方式的示意图。结合图1、图2及图3，就本申请基于四波混频的原子滤波原理做详细描述：
待探测的信号激光ωs以及背景光ωb进入到光学接收系统11中后，滤光片111的通过范围允许信号激光ωs以及频率处于通过范围内的一部分背景光ωb通过，并过滤频率处于通过范围外的另一部分背景光ωb后，通过反射器件A反射至原子池13中。与此同时，通过设置激光器12发射的泵浦激光ωp的出射方向和信号激光ωs的传输方向成0.3度的夹角入射至原子池13中，以使得泵浦激光ωp和信号激光ωs的交叉点为原子池13的中心，当然也可以是其他位置，本申请中设置泵浦激光ωp和信号激光ωs成预设夹角，主要是方便区分二者。本实施例中，采用一个激光器12，故产生的泵浦激光只有一个频率成分。
其中，泵浦激光ωp及信号激光ωs在原子池13中原子的作用下以四波混频方式产生第一辐射光ω's和第二辐射光ωf，其中第一辐射光ω's的频率和传输方向与信号激光ωs的频率和传输方向相同，第二辐射光ωf的频率或传输方向不同于背景光ωb，且第二辐射光ωf的频率处于滤光片111的通过范围之外，也即第二辐射光ωf中不包含背景光ωb。
具体请参见图2，为方便描述，本实施例中的第一高能级及第二高能级均为虚能级，实际过程中是不存在的，也即是本申请中只要泵浦激光和信号激光同时入射至原子池中，该反应过程自动存在。
泵浦激光ωp驱动原子池13中原子从第一低能级|1>跃迁到第一高能级|a>，并在信号激光ωs的作用下从第一高能级|a>受激跃迁到第二低能级|2>，进而产生第一辐射光ω's，因第一辐射光ω's的频率和传输方向与信号激光ωs的频率和传输方向相同，故信号激光ωs的被放大。可选地，泵浦激光ωp进一步驱动原子从第二低能级|2>跃迁到第二高能级|b>，并从第二高能级|b>自发跃迁到第一低能级|1>，进而产生第二辐射光ωf，第二辐射光ωf的频率或传输方向不同于背景光ωb。本申请中的能级跃迁反应时间极短，可进行连续滤波。
参见图3，在第一低能级|1>及第二低能级|2>的参与下，泵浦激光ωp、信号激光ωs、第二辐射光ωf构成四波混频结构，且其满足图3所示的相位匹配条件。其中，kp、ks、kf分别为泵浦激光ωp、信号激光ωs、第二辐射光ωf的波矢量。此种结构的四波混频在信号激光ωs的激发下，泵浦激光ωp的能量被转移到信号激光ωs和第二辐射光ωf中来，使得信号激光ωs被放大，而第二辐射光ωf也具有与信号激光相匹配的功率，且空间上与之分开，即第二辐射光ωf的光功率可以用来表征信号激光ωs的光功率。进一步，不包含背景光ωb的第二辐射光ωf进入探测系统14，且可以得到第二辐射光ωf的光功率If和信号激光ωs的光功率Is关系为G＝If/Is，其中G大于1，由此可以得到本申请中基于四波混频的原子滤波系统，可以实现对信号激光放大的窄带原子滤波功能。
上述实施方式，通过四波混频效应，实现了对信号激光的窄带滤波及放大，使对信号激光的探测功率进一步降低，增加其通信距离、测距距离以及成像距离等，提高相关仪器的整体性能指标。
请参阅图4，图4为本申请基于四波混频的原子滤波系统第二实施方式的结构示意图。本实施例和第一实施方式大致相同，不同之处在于本实施例中的激光器的个数为两个，且两激光器的频率不相同，故两频率不同的激光器发射的泵浦激光为两个频率成分，具体描述如下：
本实施例中所提供的原子滤波系统20包括：光接收系统21、激光器22a及激光器22b、原子池23以及探测系统24。
其中，光接收系统21用于接收待探测的信号激光以及背景光。在本申请一应用场景中，待探测信号激光的频率设为ωs，为了区分背景光的频率设为ωb。光接收系统21包括滤光片211，且滤光片211设置有一通过范围，可以允许信号激光ωs以及频率处于通过范围内的一部分背景光ωb通过，并过滤频率处于通过范围外的另一部分背景光ωb。可选地，该滤光片211为带通滤光片，其带通中心频率和信号激光ωs的中心频率相同。
激光器22a及激光器22b，分别用于发射两个频率不同的泵浦激光ω1及ω2，且激光器22a及激光器22b的发射功率密度应尽量大，本实施例中激光器22a及激光器22b的功率密度设置为不小于800mW/mm2。
原子池23，用于接收泵浦激光ω1、ω2及信号激光ωs，且泵浦激光ω1、ω2、信号激光ωs在原子池23中原子的作用下以四波混频方式产生第一辐射光ω's和第二辐射光ωf，其中第一辐射光ω's的频率和传输方向与信号激光ωs的频率和传输方向相同，第二辐射光ωf的频率或传输方向不同于背景光ωb，且第二辐射光ωf的频率处于滤光片211的通过范围之外，也即第二辐射光ωf中不包含背景光ωb。
和第一实施方式相同，本实施例中也可以设置泵浦激光ω1、ω2相对于信号激光ωs的传输方向的夹角分别为正负0.3度，以使得两泵浦激光ω1、ω2和信号激光ωs的交叉点在原子池23的中心，当然这里也只是为了区分二者，使二者不重合。在其它实施例中也可以是原子池23中的其他点，本申请不做进一步限定。
探测系统24，用于在不受背景光ωb的影响下探测第二辐射光ωf，并利用第二辐射光ωf的光功率表征信号激光ωs的光功率。
请进一步参阅图5及图6，就本申请基于四波混频的原子滤波原理做简单描述，其中和第一实施方式相同之处不再赘述，不同之处在于，泵浦激光ω1驱动原子池23中原子从第一低能级|1>跃迁到第一高能级|a>，并在信号激光ωs的作用下从第一高能级|a>受激跃迁到第二低能级|2>，进而产生第一辐射光ω's，因第一辐射光ω's的频率和传输方向与信号激光ωs的频率和传输方向相同，故信号激光ωs的被放大。可选地，泵浦激光ω2进一步驱动原子从第二低能级|2>跃迁到第二高能级|b>，并从第二高能级|b>自发跃迁到第一低能级|1>，进而产生第二辐射光ωf，第二辐射光ωf的频率或传输方向不同于背景光ωb。本申请中的能级跃迁反应时间极短，可进行连续滤波。
在第一低能级|1>及第二低能级|2>的参与下，泵浦激光ω1、ω2、信号激光ωs、第二辐射光ωf构成四波混频结构，且其满足图6所示的相位匹配条件。其中，k1、k2、ks、kf分别为泵浦激光ω1、ω2、信号激光ωs、第二辐射光ωf的波矢量。此种结构的四波混频在信号激光ωs的激发下，泵浦激光ω1、ω2的能量被转移到信号激光ωs和第二辐射光ωf中来，使得信号激光ωs被放大，而第二辐射光ωf也具有与信号激光相匹配的功率，且空间上与之分开，即第二辐射光ωf的光功率可以用来表征信号激光ωs的光功率。进一步，不包含背景光ωb的第二辐射光ωf进入探测系统24，且可以得到第二辐射光ωf的光功率If和信号激光ωs的光功率Is关系为G＝If/Is，其中G大于1，由此可以得到本申请中基于四波混频的原子滤波系统，可以实现对信号激光放大的窄带原子滤波功能。
上述实施方式，通过四波混频效应，实现了对信号激光的窄带滤波及放大，使对信号激光的探测功率进一步降低，增加其通信距离、测距距离以及成像距离等，提高相关仪器的整体性能指标。
请参见图7，图7为本申请基于四波混频的原子滤波系统第三实施方式的结构示意图。本实施例中，和第二实施方式大致相同，不同之处在于，本实施例中还包括一分束器，用于将两激光器发射的泵浦激光耦合到一起，具体描述如下：
本实施例中所提供的原子滤波系统30包括：光接收系统31、激光器32a及激光器32b、原子池33以及探测系统34。
其中，光接收系统31、原子池33以及探测系统34和本申请原子滤波系统第一及第二实施方式中的一样，且此处不再赘述。
可选地，激光器32a及激光器32b的出射光路上进一步设置一分束器B，用于将激光器32a及激光器32b发射的泵浦激光ω1、ω2耦合为一束光，入射至原子池33中。可选地，可以设置泵浦激光ω1、ω2的出射方向和信号激光ωs的传输方向的预设夹角为不小于0.3度。当然在其它实施例中，也可以是其他角度值，本申请不做进一步限定。
请进一步参阅图8，图8为本申请四波混频相位匹配条件第三实施方式的示意图。且其原理过程和第一及第二实施方式中类似，不同之处在于本实施例中，两激光器出射的泵浦激光ω1、ω2通过一分束器B后，耦合为一束，且四波混频相位匹配条件时，两泵浦激光ω1、ω2的波矢量k1、k2在同一方向上，具体描述详见第一及第二实施方式的具体描述，此处不再赘述。
上述实施方式，通过四波混频效应，实现了对信号激光的窄带滤波及放大，使对信号激光的探测功率进一步降低，增加其通信距离、测距距离以及成像距离等，提高相关仪器的整体性能指标。
请参阅图9，图9为本申请基于四波混频的原子滤波方法一实施方式的流程示意图。
S10，接收待检测的信号激光和背景光。
步骤S10进一步包括利用一滤光片对信号激光和背景光进行滤光，且滤光片设置有一通过范围，可以允许信号激光以及频率处于通过范围内的一部分背景光，并过滤频率处于通过范围外的另一部分背景光。
S11，将信号激光、背景光和泵浦激光入射至原子池中，且泵浦激光及信号激光在原子池中原子的作用下以四波混频方式产生第一辐射光和第二辐射光，其中第一辐射光的频率和传输方向与信号激光的频率和传输方向相同，第二辐射光的频率或传输方向不同于背景光。
在具体实施方式中，可以采用一个激光器发射泵浦激光，也可以采用两单独的激光器产生两频率成分不同的泵浦激光。其中，本实施例中原子池温度的控制，激光器功率的设置以及系统的设置和反应原理请详见上述基于四波混频的原子滤波系统第一至第二实施方式的详细描述，此处不再赘述。
且本实施例中，将信号激光、背景光和泵浦激光入射至原子池中进一步可以包括：将泵浦激光的出射方向和信号激光的传输方向设置成预设夹角，以使得第二辐射光与所述第二辐射光的传输方向不同。且此步骤可以和步骤S10中利用一滤光片对信号激光和背景光进行滤光结合实施，当然可以是二者单独实施。且具体地实施方式可以参见上述基于四波混频的原子滤波系统第一至第二实施方式的详细描述，此处不再赘述。
S12，在不受背景光的影响下探测第二辐射光，并利用第二辐射光的光功率表征信号激光的光功率。
其中，第一低能级及第二低能级的参与下，泵浦激光、信号激光、第二辐射光构成四波混频结构，且满足一定的相位匹配条件，此种结构的四波混频在信号激光的激发下，泵浦激光的能量被转移到信号激光和第二辐射光中来，使得信号激光被放大，而第二辐射光也具有与信号激光相匹配的功率，且空间上与之分开，即第二辐射光的光功率可以用来表征信号激光的光功率。且具体的实现原理及过程请参见上述实施例中的具体描述，此处不再赘述。
上述实施方式，通过四波混频效应，实现对信号激光的窄带滤波及放大，使对信号激光的探测功率进一步降低，增加其通信距离、测距距离以及成像距离等，提高相关仪器的整体性能指标。
综上所述，本领域技术人员容易理解，本申请提供一种基于四波混频的原子滤波系统及方法，通过四波混频效应，实现对信号激光的窄带滤波及放大，使对信号激光的探测功率进一步降低，增加其通信距离、测距距离以及成像距离等，提高相关仪器的整体性能指标。
以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于四波混频的原子滤波系统，其特征在于，所述滤波系统包括：
光接收系统，用于接收待探测的信号激光以及背景光；
激光器，用于发射泵浦激光，所述泵浦激光包括至少一个频率成分；
原子池，用于接收所述泵浦激光和所述信号激光，且所述泵浦激光及所述信号激光在所述原子池中原子的作用下以四波混频方式产生第一辐射光和第二辐射光，其中所述第一辐射光的频率和传输方向与所述信号激光的频率和传输方向相同，所述第二辐射光的频率或传输方向不同于所述背景光；
探测系统，用于在不受所述背景光的影响下探测所述第二辐射光，并利用所述第二辐射光的光功率表征所述信号激光的光功率。
2.根据权利要求1所述的滤波系统，其特征在于，所述光接收系统包括滤光片，所述滤光片设置有一通过范围，以允许所述信号激光以及频率处于所述通过范围内的一部分所述背景光，并过滤频率处于所述通过范围外的另一部分所述背景光，所述第二辐射光的频率处于所述通过范围之外。
3.根据权利要求1所述的滤波系统，其特征在于，所述滤光片为带通滤光片，所述滤光片的带通中心频率和所述信号激光的中心频率相同。
4.根据权利要求1所述的滤波系统，其特征在于，所述泵浦激光的出射方向和所述信号激光的传输方向成预设夹角，以使得所述第二辐射光与所述第一辐射光的传输方向不同。
5.根据权利要求4所述的滤波系统，其特征在于，所述泵浦激光的出射方向和所述信号激光的传输方向的预设夹角为不小于0.3度。
6.根据权利要求1所述的滤波系统，其特征在于，所述原子池的温度不小于100℃，所述激光器的功率密度为不小于800mW/mm2。
7.根据权利要求1所述的滤波系统，其特征在于，所述泵浦激光驱动所述原子从第一低能级跃迁到第一高能级，并在所述信号激光的作用下从所述第一高能级受激跃迁到第二低能级，进而产生所述第一辐射光；所述泵浦激光进一步驱动所述原子从第二低能级跃迁到第二高能级，并从所述第二高能级自发跃迁到所述第一低能级，进而产生所述第二辐射光。
8.根据权利要求7所述的滤波系统，其特征在于，所述激光器发射的所述泵浦激光包括两个不同的频率成分，其中一频率成分驱动所述原子从所述第一低能级跃迁到所述第一高能级，另一频率成分驱动所述原子从所述第二低能级跃迁到所述第二高能级。
9.一种基于四波混频的原子滤波方法，其特征在于，所述方法包括：
接收待检测的信号激光和背景光；
将所述信号激光、所述背景光和泵浦激光入射至原子池中，且所述泵浦激光及所述信号激光在所述原子池中原子的作用下以四波混频方式产生第一辐射光和第二辐射光，其中所述第一辐射光的频率和传输方向与所述信号激光的频率和传输方向相同，所述第二辐射光的频率或传输方向不同于所述背景光；
在不受所述背景光的影响下探测所述第二辐射光，并利用所述第二辐射光的光功率表征所述信号激光的光功率。
10.根据权利要求8所述的滤波方法，其特征在于，所述接收待检测的信号激光和背景光的步骤包括：
利用一滤光片对所述信号激光和背景光进行滤光，所述滤光片设置有一通过范围，以允许所述信号激光以及频率处于所述通过范围内的一部分所述背景光，并过滤频率处于所述通过范围外的另一部分所述背景光，所述第二辐射光的频率处于所述通过频率之外；并且/或者
所述将所述信号激光、所述背景光和泵浦激光入射至原子池中的步骤包括：
将所述泵浦激光的出射方向和所述信号激光的传输方向设置成预设夹角，以使得所述第二辐射光与所述第二辐射光的传输方向不同。
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