CN110401104A - 一种基于里德堡电磁感应透明信号的锁频系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于里德堡电磁感应透明信号的锁频系统及方法。该系统包括探测光光源、耦合光光源、铷蒸汽池、光电探测器、正弦信号源、信号放大器、锁相放大器以及比例‑积分‑微分控制器；锁频方法利用耦合光光源扫描通过铷蒸汽池的耦合光的频率，获得里德堡电磁感应透明信号，利用交变磁场调制原子能级，实现对里德堡电磁感应透明信号的频率调制，进而得到里德堡电磁感应透明信号的微分信号，即锁频所需要的误差信号，对耦合光激光器进行频率锁定。本发明的系统和方法，适用范围广、线宽窄，同时结构简单、稳定、对环境要求低、成本低，非常适合用于便携式系统的开发。

Description

一种基于里德堡电磁感应透明信号的锁频系统及方法
技术领域
本发明涉及激光器锁频领域，具体涉及一种基于里德堡电磁感应透明信号的锁频系统及方法。
背景技术
里德堡原子由于具有大的电偶极矩，因此在量子存储、量子计算、量子仿真方面有非常大的应用前景。基于里德堡原子的阶梯型电磁感应透明受到广泛的研究，近几年基于里德堡原子电磁感应透明的AT分裂的微波电场计为微波电场的测量提供了量子基准[Nature Physics，8，819-824(2012)]，受到人们的关注，如何将微波电场计做成便携式的是人们关注的研究热点之一。将激光频率锁定在中间态和里德堡态的跃迁线上是在关于阶梯型里德堡原子电磁感应透明研究的关键技术。人们开发了各种锁频方法，例如将激光频率锁在超稳腔上[Appl.Phys.B 31，97-105(1983)]，这种方法的优点是可以将激光器的线宽压窄到令人惊讶的量级，mHz，但是这种方法对环境，比如机械稳定性、温度稳定性的要求都超高，不适用于便携式系统的开发。另一种方法是Adams[Appl.Phys.Lett.94 071107(2009)]等人开发的利用EOM调制探测光频率以获得EIT的误差信号，进而将耦合光的频率锁在中间态和里德堡态的跃迁线上，该方法的优点是激光器频率会绝对准确，但在实验上需要引入EOM光路和伺服系统，增加了系统的复杂性；在Adams等人的基础上，赵建明等[Chin.Phys.B 25，053201(2016)]利用电流调制探光的频率，获得EIT的误差信号锁频的误差信号，该方法虽然不用复杂的光路，但是调制信号是加在激光二极管电流上的，因此会造成激光器线宽的加宽和微扰。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种基于里德堡电磁感应透明信号的锁频系统及方法。利用系统可以实现一种稳定的、对环境要求不那么高、简单的、对激光二极管的电流无调制的锁频方法。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于里德堡电磁感应透明信号的锁频系统，所述系统包括探测光光源、耦合光光源、铷蒸汽池、光电探测器、正弦信号源、信号放大器、锁相放大器以及比例-积分-微分控制器；
所述探测光光源、耦合光光源相对设置在铷蒸汽池两端，探测光和耦合光穿过铷蒸汽池相对传输，并严格重合；
所述耦合光光源为激光器；所述铷蒸汽池外部绕有螺线管；
所述正弦信号源产生的正弦信号分别送到锁相放大器和信号放大器；
所述信号放大器与螺线管相连；
所述耦合光光源本身可以进行频率扫描，用于扫描通过铷蒸汽池的耦合光的频率，获得里德堡电磁感应透明信号；
所述光电探测器用于接收里德堡电磁感应透明信号；
所述光电探测器依次与锁相放大器以及比例-积分-微分控制器相连；
经过所述比例-积分-微分控制器处理的信号最终反馈给耦合光光源的电源。
进一步地，所述螺线管和一个电阻、电容串联，形成RLC电路。
进一步地，所述探测光的波长为780nm，所述耦合光的波长为480nm。
进一步地，探测光的光强约为30微瓦，光斑直径约为1mm，偏振为左旋光。
进一步地，耦合光的光强约为30毫瓦，光斑直径约为2mm，偏振为右旋光。
一种基于里德堡电磁感应透明信号的锁频方法，所述方法包括以下步骤：
(1)、调节探测光光源，把探测光的探测光的频率锁定在基态和中间态的共振跃迁上；
(2)、在中间态和里德堡态跃迁附近扫描耦合光的频率，获得里德堡电磁感应透明信号；
(3)、利用正弦信号源产生正弦信号，将这个信号分别送到锁相放大器和信号放大器，经过信号放大器放大25倍后，将交流信号连接到螺线管上，其中螺线管和一个电阻、电容串联，形成RLC电路，螺线管的目的是在铷池内部产生一个交变的均匀磁场，用以交流地改变原子能级的位置，等效于对光电探测器接收到的光谱进行频率调制；
(4)、将光电探测器接收到的信号送到锁相放大器中，即可得到德堡电磁感应透明信号对应的误差信号，然后将这个误差信号送到PID后，经过积分微分处理反馈给耦合光激光器的电流，以实现对耦合光激光器的频率锁定。
进一步地，所述步骤(2)的扫描耦合光的频率是通过改变耦合光激光器的光栅角度实现的，即在光栅背后的压电陶瓷上施加一个3Hz的三角波电压，从而实现扫描耦合光的频率。
本发明的效果在于：
(1)本发明利用塞曼效应外调制阶梯型里德堡电磁感应透明信号(EIT)，获得EIT的误差信号，进而将耦合光的激光频率锁在中间态-里德堡态跃迁上。该方法实现的耦合光的线宽远小于500kHz，满足各种关于里德堡原子的实验的需求。
(2)由于对激光器电流无调制，激光频率稳定和相对较窄的线宽，同时结构简单、稳定、对环境要求低、成本低、非常适用于便携式系统的需求。
(3)现有技术中的交变磁场塞曼调制，展示的都是对二能级光谱的调制，本发明首次实现了利用交变磁场塞曼调制多能级光谱。
附图说明
图1为本发明实施例中锁频系统的光路示意图；图中1-探测光光源；2-耦合光光源；3-铷蒸汽池；4-螺线管；5-光电探测器。
图2为本发明实施例中利用锁频系统进行锁频操作过程中得到的误差信号；
图3为本发明实施例中实现锁频后，电磁感应透明的谱峰宽度。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述。
一种基于里德堡电磁感应透明信号的锁频系统，如图1所示，所述系统包括探测光光源1、耦合光光源2、铷蒸汽池3、光电探测器5、正弦信号源、信号放大器、锁相放大器以及比例-积分-微分(PID)控制器；探测光光源1、耦合光光源2相对设置在铷蒸汽池3两端，探测光和耦合光穿过铷蒸汽池相对传输，并严格重合；所述铷蒸汽池3为圆柱形的玻璃管，里面充满了铷蒸汽后，探测光的光强约为30微瓦，光斑直径约为1mm，偏振为左旋光。耦合光的光强约为30毫瓦，光斑直径约为2mm，偏振为右旋光。耦合光光源本身可以进行频率扫描，用于扫描铷蒸汽池的耦合光的频率，获得里德堡电磁感应透明信号。
所述耦合光光源2为激光器；所述铷蒸汽池3外部绕有螺线管4，螺线管4和一个5欧姆的电阻、500pF的电容串联，形成谐振频率为26kHz的RLC电路，所述正弦信号源产生的正弦信号分别送到锁相放大器和信号放大器，正弦信号的频率为26kHz；信号放大器与螺线管4相连；光电探测器5用于接收里德堡电磁感应透明信号；光电探测器依次与锁相放大器以及比例-积分-微分(PID)控制器相连；经过所述比例-积分-微分控制器处理的信号最终反馈给耦合光光源的电源。
锁频方法，所述方法包括以下步骤：
(1)、调节探测光光源，把探测光的探测光的频率锁定在基态和中间态的共振跃迁上；
(2)、在中间态和里德堡态跃迁附近通过改变耦合光激光器的光栅角度实现的，即在光栅背后的压电陶瓷上施加一个3Hz的三角波电压，从而实现扫描耦合光的频率，获得里德堡电磁感应透明信号；
(3)、利用正弦信号源产生26kHz的正弦信号，将这个信号分别送到锁相放大器和信号放大器，经过信号放大器放大25倍后，将交流信号连接到螺线管上，对光谱进行其中螺线管和一个5欧姆的电阻、500pF的电容串联，形成谐振频率为26kHz的RLC电路，螺线管的目的是在铷池内部产生一个交变的均匀磁场，用以交流地改变原子能级的位置，等效于对光电探测器接收到的光谱进行频率调制；
(4)、将光电探测器接收到的信号送到锁相放大器中，即可得到德堡电磁感应透明信号对应的误差信号，所得的误差信号如图2所示，然后将这个误差信号送到PID后，经过积分微分处理反馈给耦合光激光器的电流，以实现对耦合光激光器的频率锁定。
频率锁定后，利用激光冷却的铷原子来检验激光器的线宽，冷原子温度为300微开，可忽略多普勒效应，电磁感应透明的谱峰宽度可以反应激光器的线宽，结果如图3所示。结果显示拟合电磁感应透明的谱峰宽度为494kHz，证明这种锁频方法得到的激光器线宽小于500kHz，满足大部分里德堡原子实验的需求，并且具有普适性。
本领域技术人员应该明白，本发明所述的方法和系统并不限于具体实施方式中所述的实施例，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围，本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于里德堡电磁感应透明信号的锁频系统，其特征在于，所述系统包括探测光光源、耦合光光源、铷蒸汽池、光电探测器、正弦信号源、信号放大器、锁相放大器以及比例-积分-微分控制器；
所述探测光光源、耦合光光源相对设置在铷蒸汽池两端，探测光和耦合光穿过铷蒸汽池相对传输，并严格重合；
所述耦合光光源为激光器；所述铷蒸汽池外部绕有螺线管；
所述正弦信号源产生的正弦信号分别送到锁相放大器和信号放大器；
所述信号放大器与螺线管相连；
所述耦合光光源本身可以进行频率扫描，用于扫描通过铷蒸汽池的耦合光的频率，获得里德堡电磁感应透明信号；
所述光电探测器用于接收里德堡电磁感应透明信号；
所述光电探测器依次与锁相放大器以及比例-积分-微分控制器相连；
经过所述比例-积分-微分控制器处理的信号最终反馈给耦合光光源的电源。
2.一种如权利要求1所述的基于里德堡电磁感应透明信号的锁频系统，其特征在于，所述螺线管和电阻电容串联，形成RLC电路。
3.一种如权利要求2所述的基于里德堡电磁感应透明信号的锁频系统，其特征在于，所述探测光的波长为780nm，所述耦合光的波长为480nm。
4.一种如权利要求3所述的基于里德堡电磁感应透明信号的锁频系统，其特征在于，探测光的光强约为30微瓦，光斑直径约为1mm，偏振为左旋光。
5.一种如权利要求3所述的基于里德堡电磁感应透明信号的锁频系统，其特征在于，耦合光的光强约为30毫瓦，光斑直径约为2mm，偏振为右旋光。
6.一种利用如权利要求3-5任意一项所述的基于里德堡电磁感应透明信号的锁频系统进行的锁频方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)、调节探测光光源，把探测光的频率锁定在基态和中间态的共振跃迁上；
(2)、在中间态和里德堡态跃迁附近扫描耦合光的频率，获得里德堡电磁感应透明信号；
(3)、利用正弦信号源产生正弦信号，将这个信号分别送到锁相放大器和信号放大器，经过信号放大器放大25倍后，将交流信号连接到螺线管上，其中螺线管和一个电阻、电容串联，形成RLC电路，螺线管的目的是在铷池内部产生一个交变的均匀磁场，用以交流地改变原子能级的位置，等效于对光电探测器接收到的光谱进行频率调制；
(4)、将光电探测器接收到的信号送到锁相放大器中，即可得到德堡电磁感应透明信号对应的误差信号，然后将这个误差信号送到比例-积分-微分控制器后，经过积分微分处理反馈给耦合光激光器的电流，以实现对耦合光激光器的频率锁定。
7.一种如权利要求6所述的锁频方法，其特征在于，所述步骤(2)的扫描耦合光的频率是通过改变耦合光激光器的光栅角度实现的，即在光栅背后的压电陶瓷上施加一个3Hz的三角波电压，从而实现扫描耦合光的频率。
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