CN110133942A - 调控里德堡原子多稳态的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种调控里德堡原子多稳态的装置和方法，属于光学技术领域。所述调控里德堡多稳态的装置，包括：探测光激光器、反射镜、第一偏振分束器、第一半波片、第一二向色镜、铷泡、第二二向色镜、耦合光激光器、第二半波片、第二偏振分束器以及控制光激光器；探测光激光器发出的光经反射镜的前后两面反射得到两束平行的相同频率的光，分别为探测光和参考光，探测光和参考光依次经第一偏振分束器、第一半波片以及第一二向色镜传输至铷泡；耦合光激光器用于发出耦合光，耦合光依次经第二半波片、第二偏振分束器以及第二二向色镜传输至铷泡；控制光激光器用于发出控制光，控制光传输至铷泡中。本发明可以得到具有更高可控性的光学多稳态。

Description

调控里德堡原子多稳态的装置和方法

技术领域

本发明涉及光学领域，尤其涉及一种调控里德堡原子多稳态的装置和方法。

背景技术

基于里德堡原子研究光学多稳态在理论与实验上是迫切需要的。通过考虑具有单份量的里德堡原子，平均场理论和变分原理预测：量子涨落可以使得两个稳定集体态之间发生跃迁，而随机粒子运动也可以驱动这种类型的相变。然而，在许多情况下，非平衡系统通常是不均匀的或在多份量区域中，例如在有结构的空间密度中、不同的相互作用中或具有梯度的其他变量中，这使得系统可能会经历光学多稳态。因此，研究多份量的非平衡相变将更接近自然界中的复杂性。

目前，有技术通过外加激光实现双稳态调控，虽然其仅需制备一团原子，实验操作简单，但是不能完全再现原子耦合腔和半导体微腔中的多稳态现象，所研究的内容过于理想，没有考虑到在实际中遇到的里德堡原子大多数都为非均匀分布。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种调控里德堡原子多稳态的装置和方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种调控里德堡原子多稳态的装置，包括：

探测光激光器、反射镜、第一偏振分束器、第一半波片、第一二向色镜、铷泡、第二二向色镜、耦合光激光器、第二半波片、第二偏振分束器以及控制光激光器；

所述探测光激光器发出的光经所述反射镜的前后两面反射得到两束具有一间距的相同频率的光，分别为探测光和参考光，所述探测光和参考光依次经第一偏振分束器、第一半波片以及第一二向色镜传输至所述铷泡；

所述耦合光激光器用于发出耦合光，所述耦合光依次经第二半波片、第二偏振分束器以及第二二向色镜传输至所述铷泡；

所述控制光激光器用于发出控制光，所述控制光传输至铷泡中；

其中，所述探测光与所述耦合光部分重合，所述探测光、参考光以及耦合光位于同一平面，所述控制光位于另一个平面中。

在一些实施例中，所述探测光用于将所述铷泡中的铷原子从基态激发至中间态；所耦合光用于将所述铷泡中的铷原子从中间态激发至里德堡态；所述控制光用于控制所述铷泡中处于里德堡态的铷原子的密度，以得到不同的光学多稳态。

在一些实施例中，所述探测光具有失谐Δ_P和拉比频率Ω_P；所述耦合光具有失谐Δ_C和拉比频率Ω_C。

在一些实施例中，所述装置还包括探测器，用于差分测量所述探测光与参考光，得到电磁诱导透明谱。

在一些实施例中，所述第一二向色镜与第二二向色镜均用于透过所述探测光和参考光，反射所述耦合光。

在一些实施例中，经所述第二二向色镜反射的所述耦合光与所述第二探测光重合且相向传输。

在一些实施例中，所述装置还包括采集器，用于接收经所述第一二向色镜反射的所述耦合光。

在一些实施例中，所述第一偏振分束器和第一半波片，用于使所述探测光和参考光变为具有特定偏振方向的线偏光；所述第二偏振分束器和第二半波片，用于使所述耦合光变为具有特定偏振方向的线偏光。

在一些实施例中，所述探测光和参考光的偏振方向相同，与耦合光的偏振方向相反。

根据本发明的另一个方面，提供了一种利用上述装置调控里德堡原子多稳态的方法，其特征在于，包括：

保持探测光的拉比频率；

调节控制光的拉比频率，以改变铷泡中里德堡态铷原子的密度分布；

在所述控制光的每个拉比频率上，分别从红失谐到蓝失谐以及从蓝失谐到红失谐扫描耦合光失谐Δ_C，得到不同的多稳态滞回线。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本发明提供的调控里德堡原子多稳态的装置和方法，在原有探测光激发的密度基础上单独调整被激发的里德堡原子的密度，得到了具有更高可控性的光学多稳态，克服了现有技术中利用里德堡原子只能产生光学双稳态的缺陷；

(2)本发明提供的调控里德堡原子多稳态的装置和方法，使用的是具有热运动的热原子，相对于其他使用冷原子的装置结构更加简单，并且得到了较为明显的多稳态滞回线，同时证明了即使是在简单系统中也会产生多分量的非平衡相变现象，且提供了观测数据，这是光学多稳态理论模型基准的关键；

(3)本发明提供的调控里德堡原子多稳态的装置和方法，在设计光路的过程中，系统中存在非线性与自组织现象，这种现象在自然界和经济学等领域内非常普遍，所建立的模型均可扩展到其他领域，例如经济学中复杂的非平衡现象以及生态系统和气候中的非平衡动力学；

(4)本发明提供的调控里德堡原子多稳态的装置和方法，使用了两团不同密度的里德堡原子，观测到了光学多稳态现象，研究与调控光学多稳态更接近原子耦合腔和半导体微腔中的现象，具有更大的研究价值。

附图说明

图1为本发明调控里德堡原子多稳态的装置示意图；

图2为本发明实施例提供的能级结构图；

图3为本发明实施例提供的耦合光失谐从红失谐以10Hz的频率扫描到蓝失谐的透射率数据曲线图；

图4为本发明实施例提供的耦合光失谐从Δ_c＝-2π×42MHz到Δ_c＝-2π×58MHz从红失谐扫描到蓝失谐以及从蓝失谐扫描到红失谐所产生的多稳态(两条线所围部分)示意图；

图5为本发明实施例提供的不同控制光强度下得到的电磁诱导透明谱。

上述附图中，附图标记含义具体如下：

1-探测光激光器、2-反射镜、3，8-偏振分束器、4，7-半波片、5，9-二向色镜、6-耦合光激光器、10-铷泡、11-控制光激光器、12，13-探测器、14-采集器、15-参考光、16-探测光、17-耦合光、18-控制光。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

根据本发明的一个方面，提供了一种调控里德堡原子多稳态的装置，包括：

探测光激光器、反射镜、第一偏振分束器、第一半波片、第一二向色镜、铷泡、第二二向色镜、耦合光激光器、第二半波片、第二偏振分束器以及控制光激光器；其中，

所述探测光激光器发出光经反射镜的前后两面反射得到两束平行的相同频率的光，分别为探测光和参考光，所述探测光和参考光依次经第一偏振分束器、第一半波片以及第一二向色镜传输至所述铷泡；

所述耦合光激光器用于发出耦合光，所述耦合光依次经第二半波片、第二偏振分束器以及第二二向色镜传输至所述铷泡；

所述控制光激光器用于发出控制光，所述控制光传输至铷泡中；

所述探测光与所述耦合光部分重合，所述探测光、参考光以及耦合光位于同一平面，所述控制光位于另一个平面中。

所述铷泡中装有具有热运动的铷原子，所述反射镜也可以用其他分束器代替。

根据本法明的另一个方面，本发明还提供了一种利用上述装置调控里德堡原子多稳态的方法，包括：

保持探测光的拉比频率不变；

调节控制光的拉比频率，以改变铷泡中里德堡态铷原子的密度分布；

在所述控制光的每个拉比频率上，分别从红失谐到蓝失谐以及从蓝失谐到红失谐扫描耦合光失谐Δ_C，得到不同的多稳态滞回线。

本发明提供的调控里德堡原子多稳态的装置和方法，在原有探测光激发的密度基础上单独调整被激发的里德堡原子的密度，得到了具有更高可控性的光学多稳态，克服了现有技术中利用里德堡原子只能产生光学双稳态的缺陷；并且本发明中使用的是具有热运动的热原子，相对于其他使用冷原子的装置结构更加简单，得到了较为明显的多稳态滞回线。

在一实施例中，如图1所示，所述调控里德堡多稳态的装置包括：

探测光激光器1、反射镜2、偏振分束器3、半波片4、二向色镜5、耦合光激光器6、半波片7、偏振分束器8、半波片9、铷泡10、控制光激光器11、探测器12，13以及采集器14。其中，

所述探测光激光器1发出的光经所述反射镜2的前后表面反射得到两束平行的相同频率的光，即为参考光15和探测光16，所述参考光15和探测光16依次经偏振分束器3、波片4以及二向色镜5传输至所述铷泡10；

所述耦合光激光器6用于发出耦合光17，所述耦合光17依次经半波片7、偏振分束器8以及二向色镜9传输至所述铷泡10；

所述控制光激光器11用于发出控制光18，所述控制光18传输至铷泡10中；所述探测光16与所述耦合光17部分重合，所述参考光15、探测光16以及耦合光17位于同一平面，所述控制光18不与所述参考光15、探测光16以及耦合光17位于同一平面，因为控制光18若与参考光15位于同一平面，很容易和参考光15相交，会严重影响探测器12，13探测的结果。

所述铷泡10中装有具有热运动的铷原子；

所述探测器12，13用于差分测量所述参考光15和探测光16，得到电磁诱导透明谱；

所述二向色镜5和二向色镜9均用于反射所述耦合光17及透射所述参考光15和探测光16；

所述采集器14，用于接收经所述二向色镜5反射的所述耦合光17；

所述偏振分束器3和半波片4用于使所述参考光15和探测光16变为具有特定偏振方向的线偏光；

所述半波片7，偏振分束器8用于使所述耦合光17变为具有特定偏振方向的线偏光。

其中，所述参考光15和探测光16的偏正方向相同，与所述耦合光17的偏振方向相反。

优选的，参考光15和探测光16的偏振方向与耦合光17的偏振方向相互垂直时，电磁感应透明条件可以达到最好的效果。

具体地，如图1所示，探测光16通过长度为5cm的铷泡10，耦合光17与探测光16部分重合且相向传输。铷泡10的温度约为60℃，此时原子数密度约为3.3×10¹¹cm^-3，对应的平均原子间距约为0.8μm。参考光15和耦合光16光强降为1/e²处的束腰半径约为500μm；耦合光17光强降为1/e²处的束腰半径约为200μm。所述参考光15和探测光16将所述铷泡10中的铷原子从基态激发至中间态；所耦合光17将所述铷泡10中的铷原子从中间态激发至里德堡态；所述控制光18控制所述铷泡10中处于里德堡态的铷原子的密度，以得到不同的光学多稳态。其中，耦合光17与参考光15和探测光16的偏振方向互相垂直时，电磁感应透明条件可以达到最好的效果。

本发明实施例中涉及的三级能级与⁸⁵Rb原子的能级有如下对应关系：基态|g＞＝|5S_1/2，F＝3＞，短寿命激发态|e＞＝|5P_1/2，F′＝2＞以及长寿命里德堡态|r＞＝|47D_3/2＞。如图2中的能级图所示，参考光15、探测光16，将铷泡10中处于基态|g＞＝|5S_1/2，F＝3＞的原子激发到激发态|e＞＝|5P_1/2，F′＝2＞，耦合光17将处于激发态|e＞＝|5P_1/2，F′＝2＞的原子激发到里德堡态|r＞＝|47D_3/2＞，其中耦合光的拉比频率Ω_C/2π约为20MHz。此外，本发明实施例中激发态的衰减率为Γ_e，里德堡态的衰减率为Γ_r。

在本发明中，通过固定探测光的拉比频率，从不同方向扫描耦合光失谐，得到多稳态滞回线；通改变控制光的拉比频率，在不同控制光的拉比频率时都从不同方向扫描耦合光失谐，便可以得到不同的多稳态滞回线。

具体的，通过改变射入铷泡中的控制光的频率，来改变铷泡中里德堡态原子的密度，使其产生非均匀分布，进而得到不同的多稳态。图3中当探测光的拉比频率Ω_P＝2π×12.9MHz时，耦合光从红失谐以10Hz的频率扫描到蓝失谐的透射率数据曲线，图3仅有一个扫描方向，与图3不同的是图4为探测光的拉比频率Ω_P＝2π×12.9MHz时，将耦合光失谐在Δ_C＝-2π×42MHz到Δ_C＝-2π×58MHz范围内从红失谐扫描到蓝失谐以及从蓝失谐扫描到红失谐所产生的多稳态滞回线，两条滞回线所围成的部分即为多稳态。如图5所示，图5为固定探测光的拉比频率Ω_P＝2π×5.7MHz时，控制光的拉比频率分别为Ω_m＝2π×2.4MHz、Ω_m＝2π×3.0MHz、Ω_m＝2π×3.2MHz、Ω_m＝2π×3.5MHz、Ω_m＝2π×3.9MHz时，耦合光从红失谐扫描到蓝失谐以及从蓝失谐扫描到红失谐所产生的不同的多稳态滞回线，而得到的不同的多稳态。对于Ω_m＝2π×2.4MHz(a1)两个双稳态的滞回线几乎闭合，当Ω_m＝2π×3.2MHz(a3)时，非平衡相变出现在同一点，意味着多域系统同时发生相变，不同的滞回线表现出多域中复杂的非平衡相变，来源于不同相互作用区域中里德堡原子的非均匀分布。

本发明证明了即使是在简单系统中也会产生多分量的非平衡相变现象，且提供了观测数据，这是光学多稳态理论模型基准的关键。

另外，在本发明实施例中，采用了两种原子，分别为A类原子和B类原子，其中，B类原子的密度大，A类原子的密度小。在本实施例中通过改变A类原子的密度分布，使其产生不均匀分布，进而产生光学多稳态。本发明通过使用两团不同密度的里德堡原子，观测到了光学多稳态现象，研究与调控光学多稳态更接近原子耦合腔和半导体微腔中的现象，具有更大的研究价值。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

应注意，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在以上描述中，一些具体实施例仅用于描述目的，而不应该理解为对本发明有任何限制，而只是本发明实施例的示例。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。应注意，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种调控里德堡原子多稳态的装置，其特征在于，包括：

探测光激光器、反射镜、第一偏振分束器、第一半波片、第一二向色镜、铷泡、第二二向色镜、耦合光激光器、第二半波片、第二偏振分束器以及控制光激光器；

所述探测光激光器发出的光经所述反射镜的前后两面反射得到两束平行的相同频率的光，分别为探测光和参考光，所述探测光和参考光依次经第一偏振分束器、第一半波片以及第一二向色镜传输至所述铷泡；

所述耦合光激光器用于发出耦合光，所述耦合光依次经第二半波片、第二偏振分束器以及第二二向色镜传输至所述铷泡；

所述控制光激光器用于发出控制光，所述控制光传输至铷泡中；

其中，所述探测光与所述耦合光部分重合，所述探测光、参考光以及耦合光位于同一平面，所述控制光位于另一个平面中。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述探测光用于将所述铷泡中的铷原子从基态激发至中间态；所耦合光用于将所述铷泡中的铷原子从中间态激发至里德堡态；所述控制光用于控制所述铷泡中处于里德堡态的铷原子的密度，以得到不同的光学多稳态。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述探测光具有失谐Δ_P和拉比频率Ω_P；所述耦合光具有失谐Δ_C和拉比频率Ω_C。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括探测器，用于差分测量所述探测光与参考光，得到电磁诱导透明谱。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一二向色镜与第二二向色镜均用于透过所述探测光和参考光，反射所述耦合光。

6.根据权利要求5所的装置，其特征在于，经所述第二二向色镜反射的所述耦合光与所述第二探测光重合且相向传输。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括采集器，用于接收经所述第一二向色镜反射的所述耦合光。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一偏振分束器和第一半波片，用于使所述探测光和参考光变为具有特定偏振方向的线偏光；所述第二偏振分束器和第二半波片，用于使所述耦合光变为具有特定偏振方向的线偏光。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述探测光和参考光的偏振方向相同，与所述耦合光的偏振方向相反。

10.一种利用如权利要求1至9中任一项所述的装置调控里德堡原子多稳态的方法，其特征在于，包括：

保持探测光的拉比频率；

调节控制光的拉比频率，以改变铷泡中里德堡态铷原子的密度分布；

在所述控制光的每个拉比频率上，分别从红失谐到蓝失谐以及从蓝失谐到红失谐扫描耦合光失谐Δ_C，得到不同的多稳态滞回线。