CN110554509A - 一种形成自旋依赖光晶格的装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种形成自旋依赖光晶格的装置及其方法，其特征在于：所述装置包括原子、真空腔、晶格激光模块、相位可调控制模块和功率可调控制模块；所述方法包括1)将经过激光冷却后温度可达到微开尔文量级的冷原子设置在真空腔内；2)将能够形成自旋依赖光晶格的波长的激光分成四束，第一束为线偏振激光，使其输入至真空腔；其中第二束和第三束分别为水平线偏振光和垂直线偏振光合束后输入至真空腔；第四束为参考激光；3)对第二束和第三束的光束进行采集，进行频率和相位进行调节，同时进行光功率的调节。本发明可以对自旋依赖光晶格进行操控，进而在自旋依赖光晶格中完成对原子内外态的量子操控。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术和激光操控冷原子技术领域，具体涉及一种形成自旋依赖光晶格的装置及其方法。
背景技术
两能级原子存在自旋向上和向下的两个自旋内态，在特殊波长的光晶格囚禁势中，处于自旋向上态的原子只能感受到右旋圆偏振光囚禁势，处于自旋向下态的原子较强地感受到左旋圆偏振光囚禁势。因此，精密控制光晶格激光的波长、偏振、相位和功率等参数，可以形成自旋依赖光晶格，以实现对光晶格中原子的内外态的精密操控。由于自旋依赖光晶格中不同内态原子的囚禁依赖晶格光的偏振，对晶格的光的精密操控，可实现不同内态原子的传输、分离和相互作用。基于此，自旋依赖光晶格在量子信息、量子光学、凝聚态物理和精密重力测量等领域具有重要的应用。
静态自旋依赖光晶格可以通过双折射光学元件改变线偏振光的相位延时实现。如果要动态地操控原子，则需要动态地操控晶格光的偏振、相位和功率等参数。传统的方法是通过压控电光调制器、压控光纤压缩器和压控液晶相位延时器等来实现对晶格光偏振态的实时控制。但传统方法对偏振态的控制精度有限，相位控制的不确定度大于1度，控制带宽很难超过100kHz，同时对相位的操控范围有限，例如单个电光调制器只能实现π的相位改变。由于传统方法对偏振态的操控有限，因此很难灵活、大范围地对自旋依赖光晶格进行操控。
发明内容
本发明目的是针对上述现有技术的不足而提供一种形成自旋依赖光晶格的装置及其方法，能灵活和大范围地对自旋依赖光晶格进行操控，进而在自旋依赖光晶格中完成对原子内外态的量子操控。
本发明的技术方案为：
一种形成自旋依赖光晶格的装置，其特征在于：包括原子1、真空腔2、晶格激光模块3、相位可调控制模块4和功率可调控制模块5；
所述原子1，设置在真空腔内，为真空中经过激光冷却后温度可达到微开尔文量级的冷原子；
所述晶格激光模块3，包括激光器31，所述激光器31提供同一光源发出的两束相干激光，其中第一束激光经过第一光学组件产生线偏振激光入射至真空腔，第二束激光由第一分束镜32分成第三束激光和第四束激光，第三束激光作为参考激光，第四束激光被第二分束镜33分束后分别经过第第一声光调制器34和第二声光调制器35移频后，转换为平行线偏振光和垂直线偏振光，平行线偏振光和垂直线偏振光经过第二光学组件被分为两路，第一路经过四分之一波片36转换为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光后入射至真空腔，第二路经过第三分束镜37后又被分成第三路和第四路，第三路经过第一沃拉斯顿棱镜38分束后，分别由光电探测器探测后入射至光功率可调模块，第四路经过合束镜39后与所述参考激光合束拍频后进入相位可调模块；
所述相位可调模块，分别作用于第一声光调制器和第二声光调制器，分别对水平线偏振光和垂直线偏振光的频率和相位进行调节，使其和参考激光具有确定的相位差；
所述光功率可调模块，用于将光电探测器探测的水平线偏振光光功率和垂直线偏振光光功率与设置的参考电压比较，经过伺服反馈，反馈至相位可调模块，控制相位可调模块的输出幅值，实现对第一声光调制器和第二声光调制器的衍射效率的调制，从而控制水平线偏振光和垂直线偏振光的光功率。
进一步地，所述第一光学组件包括通过光纤依次连接的第四分束镜310、第三声光调制器311和第一半波片312，所述第四分束镜的光照射面用于接收激光器发出的激光，所述第一半波片312的光透射面通过光纤连接至真空腔内。
进一步地，所述第二光学组件包括第三沃拉斯顿棱镜313和第五分束镜314，所述第三沃拉斯顿棱镜313的输入端用于接收第一声光调制器和第二声光调制器的输出光，所述第三沃拉斯顿棱镜313的输出端连接有光纤，所述第五分束镜314接收该光纤输出的偏振光，并将该接收光分为两路，第一路经过四分之一波片36后入射至真空腔，第二路传至第三分束镜37。
进一步地，所述相位可调模块包括第二沃拉斯顿棱镜41、时钟参考、两个直接数字频率合成器、两个鉴频鉴相器、两个伺服反馈器和两个压控振荡器，所述第二沃拉斯顿棱镜41通过与其连接的光纤接收经过所述合束镜8后的光，所述第二沃拉斯顿棱镜41输出的水平线偏振光或垂直线偏振光和参考激光的拍频，拍频信号和其中一个直接数字频率合成器输出的频率由其中一个鉴频鉴相器处理，获得拍频信号与直接数字频率合成器的频率和相位误差，经过伺服反馈后反馈至第一压控振荡器，第一压控振荡器作用于第一声光调制器，所述第二沃拉斯顿棱镜41输出的垂直线偏振光或水平线偏振光和参考激光的拍频，拍频信号和另一个直接数字频率合成器输出的频率由另一个鉴频鉴相器处理，获得拍频信号与直接数字频率合成器的频率和相位误差，经过另一个伺服反馈后反馈至第二压控振荡器，第二压控振荡器作用于第二声光调制器。
进一步地，所述冷原子为具有自旋向上和向下内态的原子。
一种形成自旋依赖光晶格的方法，其特征在于：
1)将经过激光冷却后温度可达到微开尔文量级的冷原子设置在真空腔内；
2)将能够形成自旋依赖光晶格的波长的激光分成四束，
第一束为线偏振激光，使其输入至真空腔，作为组成晶格光的一路激光；
其中第二束和第三束经过光学组件的调制使其为水平线偏振光和垂直线偏振光，然后合束，合束后再通过四分之一波片后输入至真空腔，作为组成晶格光的另一路激光；
第四束为参考激光，作为第二束和第三束线偏振光的本地参考，并与它们拍频；
3)对第二束的水平线偏振光、第三束的垂直线偏振光和第四束参考激光拍频后的光束进行采集，并分别针对水平线偏振光和垂直线偏振光的频率和相位进行调节，使其和参考激光具有确定的相位差，实现对晶格光偏振态操控；
4)对第二束的水平线偏振光和第三束的垂直线偏振光进行采集，水平线偏振光光功率和垂直线偏振光功率与设置的参考电压比较，通过电压比较确定需要调整的电压范围，对水平线偏振光和垂直线偏振光的衍射效率的调制，从而调整水平线偏振光和垂直线偏振光的功率。
进一步地，所述冷原子具有自旋向上和向下内态的原子。
本发明的有益效果为：
本发明可以形成一种灵活地、大范围地可操控的自旋依赖光晶格，对原子的空间操控精度可达埃米量级，操控范围可达几百个囚禁格点；
晶格光偏振态的调控是通过对两束线偏振光相位的操控实现的，可实现的相位差精度高，因此对光晶格偏振态的调控精度高；
两束线偏振光的相位差可调节范围大，对自旋依赖光晶格的量子操控更为灵活；
灵活地、大范围地可操控的自旋依赖光晶格可以应用的范围更广。
附图说明
图1为本发明的结构原理框图；
图2为本发明的铷原子自旋依赖光晶格装置示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，真空腔内为激光冷却的铷原子，铷原子处于真空度约为10-9Pa量级的真空中，其温度在微开尔文量级，原子数可调。
晶格激光2由785nm的钛宝石激光器1产生，首先经过第四偏振分束镜(PBS)310分成两束，反射光经过第三声光调制器(AOM3)311移频后，由光纤传输至真空腔前，随后由半波片(λ/2)312调节其偏振后入射到真空腔，作为光晶格的一路线偏振激光。透射光由第一分束镜32(PBS)分成两束，反射光作为参考激光。透射光再次经过第二分束镜33(PBS)，分成两束，反射光和透射光分别由第一声光调制器(AOM1)34和第二声光调制器(AOM2)35移频，随后由第三沃拉斯顿棱镜313合束，经过光纤入射至真空腔前，合束后的光由第五分束镜314(BS)分成两束，功率较强的一束经过四分之一波片(λ/4)36，产生左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，作为光晶格的另一路激光。功率交弱的一路由BS分成两路，一路由第一沃拉斯顿棱镜(W1)38分束后，由光电探测器探测，作为功率调节的输入信号。另一路和参考激光合束拍频，经光纤传输后，由第二沃拉斯顿棱镜分束41(W2)后，被光电探测器分别探测和参考激光的拍频信号，作为相位调节的输入信号。
相位可调模块4由时钟参考、直接数字频率合成器、鉴频鉴相器、伺服反馈和压控振荡器组成，可以相位相干地控制水平线偏振光和垂直线偏振光。拍频光路为两束线偏振光合束后的极小一部分和参考激光拍频，分别提取两束线偏振光的拍频信号，建立两束线偏振光和参考激光的相位联系。鉴频鉴相器可以识别拍频信号与参考频率的频率和相位差，获得误差信号。两个直接数字频率合成器分别作为两个参考频率，其输出频率与拍频信号比较，同时可对其进行相位和频率调制。时钟参考作为两个直接数字频率合成器的参考，确保它们相位关。伺服反馈接收误差信号，作用于压控振荡器，实现伺服反馈功能。两个压控振荡器驱动两个声光调制器，分别作用于两束线偏振光，确保它们和参考激光的拍频信号跟随直接数字频率合成器输出的参考频率。对两个直接数字频率合成器进行相位调制，可以实现对两束线偏振光的相位操控，从而实现对晶格光偏振态的操控。
具体的，本实施例图2中实线中加点的线表示水平线偏振光及与参考激光拍频，拍频信号和第一直接数字频率合成器(DDS1)输出频率由第一鉴频鉴相器处理，获得拍频信号与DDS1的频率和相位误差，经过第一伺服反馈器反馈至第一压控振荡器(VCO1)，VCO1作用与AOM1，调节左旋偏振光的频率和相位，使其和参考激光具有确定的相位差；同理，垂直线偏振光由第二直接数字频率合成器(DDS2)、第二鉴频鉴相器、第二伺服反馈器、第二压控振荡器(VCO2)和AOM2作用后，确保其和参考激光具有确定的相位差。由于DDS1和DDS2的时钟参考相同，DDS1和DDS2输出的频率相位相关，因此相位调制DDS1和DDS2，可实现水平线偏振光和垂直线偏振光的相位差操控，从而实现对铷原子内外态的量子操控。
所述功率可调控制模块5一般包括两个光电探测器、第一参考电压设置模块、第二参考电压设置模块、第三伺服反馈器、第四伺服反馈器等，两个光电探测器分别探测合束后的两束线偏振光的功率，其值和参考电压比较，经过伺服反馈控制压控振荡器的输出幅值，从而控制两束线偏振激光的功率，实现对光晶格势阱深度的控制。
基于上述模块形成铷原子自旋依赖光晶格，计算机程序控制DDS1和DDS2的相位和设置参考电压可以实现对光晶格偏振态和势阱深度的控制，从而实现对自旋依赖光晶格中铷原子内态的控制和不同内态原子格点位置的控制。
综上所述，本实施例选择具有自旋向上和向下内态的原子，经过理论计算，确定特殊的波长，在该波长下，原子在光晶格中的囚禁态依赖光晶格的偏振；激光冷却原子，确保原子温度足够低，能囚禁在光晶格中；本实施例获得可以任意操控的光晶格偏振态和势阱深度；将冷原子装载到光晶格中，通过对两束圆偏振光相位和功率的操控，实现了自旋依赖光晶格，而且本实施例可以形成一种灵活地、大范围地可操控的自旋依赖光晶格，对原子的空间操控精度可达埃米量级，操控范围可达几百个囚禁格点。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种形成自旋依赖光晶格的装置，其特征在于：包括原子(1)、真空腔(2)、晶格激光模块(3)、相位可调控制模块(4)和功率可调控制模块(5)；
所述原子(1)，设置在真空腔内，为真空中经过激光冷却后温度可达到微开尔文量级的冷原子；
所述晶格激光模块(3)，包括激光器(31)，所述激光器(31)提供同一光源发出的两束相干激光，其中第一束激光经过第一光学组件产生线偏振激光入射至真空腔，第二束激光由第一分束镜(32)分成第三束激光和第四束激光，第三束激光作为参考激光，第四束激光被第二分束镜(33)分束后分别经过第一声光调制器(34)和第二声光调制器(35)移频后，转换为平行线偏振光和垂直线偏振光，平行线偏振光和垂直线偏振光经过第二光学组件被分为两路，第一路经过四分之一波片(36)转换为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光后入射至真空腔，第二路经过第三分束镜(37)后又被分成第三路和第四路，第三路经过第一沃拉斯顿棱镜(38)分束后，分别由光电探测器探测后入射至光功率可调模块，第四路经过合束镜(39)后与所述参考激光合束拍频后进入相位可调模块；
所述相位可调模块，分别作用于第一声光调制器和第二声光调制器，分别对水平线偏振光和垂直线偏振光的频率和相位进行调节，使其和参考激光具有确定的相位差；
所述光功率可调模块，用于将光电探测器探测的水平线偏振光光功率和垂直线偏振光光功率与设置的参考电压比较，经过伺服反馈，反馈至相位可调模块，控制相位可调模块的输出幅值，实现对第一声光调制器和第第二声光调制器的衍射效率的调制，从而控制水平线偏振光和垂直线偏振光的光功率。
2.如权利要求1所述的形成自旋依赖光晶格的装置，其特征在于：所述第一光学组件包括通过光纤依次连接的第四分束镜(310)、第三声光调制器(311)和第一半波片(312)，所述第四分束镜的光照射面用于接收激光器发出的激光，所述第一半波片(312)的光透射面通过光纤连接至真空腔内。
3.如权利要求1所述的形成自旋依赖光晶格的装置，其特征在于：所述第二光学组件包括第三沃拉斯顿棱镜(313)和第五分束镜(314)，所述第三沃拉斯顿棱镜(313)的输入端用于接收第一声光调制器和第二声光调制器的输出光，所述第三沃拉斯顿棱镜(313)的输出端连接有光纤，所述第五分束镜(314)接收该光纤输出的偏振光，并将该接收光分为两路，第一路经过四分之一波片(36)后入射至真空腔，第二路传至第三分束镜(37)。
4.如权利要求1所述的形成自旋依赖光晶格的装置，其特征在于：所述相位可调模块包括第二沃拉斯顿棱镜(41)、时钟参考、两个直接数字频率合成器、两个鉴频鉴相器、两个伺服反馈器和两个压控振荡器，所述第二沃拉斯顿棱镜(41)通过与其连接的光纤接收经过所述合束镜(8)后的光，所述第二沃拉斯顿棱镜(41)输出的水平线偏振光或垂直线偏振光和参考激光的拍频，拍频信号和其中一个直接数字频率合成器输出的频率由其中一个鉴频鉴相器处理，获得拍频信号与直接数字频率合成器的频率和相位误差，经过伺服反馈后反馈至第一压控振荡器，第一压控振荡器作用于第一声光调制器，所述第二沃拉斯顿棱镜(41)输出的垂直线偏振光或水平线偏振光和参考激光的拍频，拍频信号和另一个直接数字频率合成器输出的频率由另一个鉴频鉴相器处理，获得拍频信号与直接数字频率合成器的频率和相位误差，经过另一个伺服反馈后反馈至第二压控振荡器，第二压控振荡器作用于第二声光调制器。
5.如权利要求1所述的形成自旋依赖光晶格的装置，其特征在于，所述冷原子为具有自旋向上和向下内态的原子。
6.一种形成自旋依赖光晶格的方法，其特征在于：
1)将经过激光冷却后温度可达到微开尔文量级的冷原子设置在真空腔内；
2)将能够形成自旋依赖光晶格的波长的激光分成四束，
第一束为线偏振激光，使其输入至真空腔，作为组成晶格光的一路激光；
其中第二束和第三束经过光学组件的调制使其为水平线偏振光和垂直线偏振光，然后合束，合束后再通过四分之一波片后输入至真空腔，作为组成晶格光的另一路激光；
第四束为参考激光，作为第二束和第三束线偏振光的本地参考，并与它们拍频；
3)对第二束的水平线偏振光、第三束的垂直线偏振光和第四束参考激光拍频后的光束进行采集，并分别针对水平线偏振光和垂直线偏振光的频率和相位进行调节，使其和参考激光具有确定的相位差，实现对晶格光偏振态操控；
4)对第二束的水平线偏振光和第三束的垂直线偏振光进行采集，水平线偏振光光功率和垂直线偏振光功率与设置的参考电压比较，通过电压比较确定需要调整的电压范围，对水平线偏振光和垂直线偏振光的衍射效率的调制，从而调整水平线偏振光和垂直线偏振光的功率。
7.如权利要求6所述的形成自旋依赖光晶格的方法，其特征在于：所述冷原子具有自旋向上和向下内态的原子。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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