CN110940418B - 调控铯原子双光子吸收光谱中电磁诱导透明的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种调控铯原子双光子吸收光谱中电磁诱导透明的方法及装置，该方法包括：将探测光和耦合光输入至一Cs蒸汽池中实现铯原子跃迁；探测器测量经过该Cs蒸汽池的探测光和耦合光的频率，并经示波器的作用，得到铯原子跃迁过程的光谱；调节耦合光的强度，得到新的铯原子跃迁过程的光谱；其中，该铯原子跃迁过程的光谱为双光子吸收光谱和电磁诱导透明光谱共存的双结构光谱。本发明提供的该调控铯原子双光子吸收光谱中电磁诱导透明的方法及装置，首次在实验中观察到了铯原子循环跃迁过程中双光子吸收光谱和电磁诱导透明光谱共存的双结构光谱，并能通过原子跃迁的相干性控制该两光谱的强弱。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，尤其涉及一种调控铯原子双光子吸收光谱中电磁诱导透明的方法及装置。
背景技术
近期国外研究小组讨论了在开放的梯形结构铷原子的5S1/2(F＝2)-5P3/2(F’＝3)-5D5/2(F”＝4)跃迁过程中双光子吸收(简称：TPA)光谱和电磁诱导透明(简称：EIT)光谱的相互关系。但由于铯原子比铷原子具有更复杂的能级结构，其超精细结构能级之间的跃迁更加复杂，这使得铯原子的TPA光谱目前还没有得到充分研究。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供了一种调控铯原子双光子吸收光谱中电磁诱导透明的方法及装置，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，提供了一种调控铯原子双光子吸收光谱中电磁诱导透明的方法，包括：
将探测光和耦合光输入至Cs蒸汽池中实现铯原子跃迁；
探测器测量经过该Cs蒸汽池的探测光和耦合光的频率，并经示波器的作用，得到铯原子跃迁过程的光谱；
调节耦合光的强度，得到新的铯原子跃迁过程的光谱；
其中，该铯原子跃迁过程的光谱为双光子吸收光谱和电磁诱导透明光谱共存的双结构光谱。
一些实施例中，该探测光的波长小于耦合光的波长。
一些实施例中，该探测光和耦合光重叠且反向传播。
进一步的，该探测光用于将Cs蒸汽池中的铯原子从基态激发至中间态，耦合光用于将Cs蒸汽池中的铯原子从中间态激发至里德堡态。
一些实施例中，通过改变耦合光的强度，改变铯原子跃迁过程中双光子吸收光谱和电磁诱导透明光谱的强弱。
根据本发明的另一个方面，并基于上述调控铯原子双光子吸收光谱中电磁诱导透明的方法，本发明还提供了一种实现其的调控铯原子双光子吸收光谱中电磁诱导透明的装置，该装置包括：
一Cs蒸汽池；
第一激光器，发射探测光，该探测光依次经过第一半波片、第一PBS和一透镜传输至Cs蒸汽池；
第二激光器，发射耦合光，该耦合光依次经过第二半波片和第二PBS传输至Cs蒸汽池；以及
示波器，接收探测光和耦合光的频率，得到铯原子跃迁过程的光谱。
一些实施例中，该装置还包括：
第三半波片和第三PBS，设置于第一激光器和第一半波片之间，探测光依次经过第三半波片和第三PBS得到两路光束，其中一路光束再传输至第一半波片，另一路光束形成饱和吸收光谱；以及
SAS模块，用于确定饱和吸收光谱的频率。
一些实施例中，该装置进一步包括：
第一玻璃片，设置于透镜和Cs蒸汽池之间，用于将探测光反射至Cs蒸汽池；
第二玻璃片，设置于第二PBS和Cs蒸汽池之间，用于将耦合光反射至Cs蒸汽池；
其中，第一玻璃片和第二玻璃片平行放置，实现探测光和耦合光的重叠且反向传播。
另一些实施例中，该装置更进一步包括：
探测器，用于测量经过Cs蒸汽池的探测光和耦合光的频率。
一些实施例中，其中，第一半波片和第二半波片分别控制探测光和耦合光的极化，第一PBS和第二PBS分别控制探测光和耦合光的功率，透镜实现对探测光的聚焦。
(三)有益效果
本发明提供的该调控铯原子双光子吸收光谱中电磁诱导透明的方法及装置，具有以下有益效果：
(1)本发明第一次在实验上观察到了梯形结构铯原子6S1/2-6P3/2-7S1/2跃迁过程中的TPA光谱，并且在6S1/2(F＝4)-6P3/2(F’＝3，4)-7S1/2(F”＝4)的循环跃迁中，克服了双共振光学泵浦(DROP)和塞曼子能级数量给实验带来的影响，利用饱和吸收光谱技术，得到了TPA和EIT共存的双结构光谱；
(2)本发明在实验中首次观察到在开放的梯形结构铯原子(133Cs)的6S1/2-6P3/2-7S1/2跃迁过程中存在丰富的TPA光谱，并且讨论了TPA和EIT的竞争关系，并通过三能级原子跃迁的相干性控制其行为，即可选择得到TPA光谱还是EIT光谱；
(3)本发明的实验现象和实验结果为进一步研究铯原子的能级跃迁以及里德堡原子提供了参考依据。
附图说明
图1是本发明实施例调控铯原子TPA光谱中EIT的装置结构图；
图2是本发明实施例在不同耦合光的强度下，铯原子跃迁过程的TPA光谱图；
图3-图4是一种耦合光强度下，铯原子跃迁过程的TPA光谱图；
图5-图6是基于图3和图4增强耦合光强度后，铯原子跃迁过程的TPA光谱图。
图中：
第一半波片 11 第一PBS 12
第二半波片 21 第PBS 22
第三半波片 31 第三PBS 32
第一玻璃片 41 第二玻璃片 42
透镜 5 探测器 6
蒸汽池 7 SAS模块 8
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。
本发明一实施例提供了一种调控铯原子双光子吸收光谱中电磁诱导透明的方法，包括：
将探测光和耦合光输入至一Cs蒸汽池中实现铯原子跃迁；
探测器测量经过该Cs蒸汽池的探测光和耦合光的频率，并经示波器的作用，得到铯原子跃迁过程的光谱；
调节耦合光的强度，得到新的铯原子跃迁过程的光谱；
其中，该探测光的波长小于耦合光的波长；该探测光和耦合光重叠且反向传播；该探测光用于将Cs蒸汽池中的铯原子从基态激发至中间态，耦合光用于将Cs蒸汽池中的铯原子从中间态激发至里德堡态；该铯原子跃迁过程的光谱为双光子吸收光谱和电磁诱导透明光谱共存的双结构光谱。
基于以上实施方式，通过改变耦合光的强度，可以改变铯原子跃迁过程中双光子吸收光谱和电磁诱导透明光谱的强弱，即可选择的得到TPA光谱还是EIT光谱。
本发明又一实施例基于上述调控铯原子双光子吸收光谱中电磁诱导透明的方法，提供了一种实现其的调控铯原子双光子吸收光谱中电磁诱导透明的装置，在本实施例中，该装置包括：
一Cs蒸汽池；
第一激光器，发射探测光，该探测光依次经过第一半波片、第一PBS和一透镜传输至Cs蒸汽池；
第二激光器，发射耦合光，该耦合光依次经过第二半波片和第二PBS传输至Cs蒸汽池；
示波器，接收探测光和耦合光的频率，得到铯原子跃迁过程的光谱；
第三半波片和第三PBS，设置于第一激光器和第一半波片之间，探测光依次经过第三半波片和第三PBS得到两路光束，其中一路光束再传输至第一半波片，另一路光束形成饱和吸收光谱；
SAS模块，用于确定饱和吸收光谱的频率；
第一玻璃片，设置于透镜和Cs蒸汽池之间，用于将探测光反射至Cs蒸汽池；
第二玻璃片，设置于第二PBS和Cs蒸汽池之间，用于将耦合光反射至Cs蒸汽池；以及
探测器，用于测量经过Cs蒸汽池的探测光和耦合光的频率。
其中，第一半波片和第二半波片分别控制探测光和耦合光的极化，第一PBS和第二PBS分别控制探测光和耦合光的功率，透镜实现对探测光的聚焦，第一玻璃片和第二玻璃片平行放置，实现探测光和耦合光的重叠且反向传播。
基于上述实施方式，本发明实施例所提供的装置是基于典型的梯形EIT结构布局，在室温下探测光和耦合光的光路在一个5厘米长的133Cs蒸汽池7中重叠并反向传播，如图1所示。探测光的波长为852.3nm(由第一激光器Laser1产生)，耦合光的波长为1469.9nm(由第二激光器Laser2产生)。用一对半波片来控制探测光和耦合光束的极化，包括第一半波片11控制探测光或第一半波片11和第三半波片31控制探测光，以及第二半波片21控制耦合光。本实施例中，Laser1发射的光束通过半波片31和第三PBS31分为两束，一束用于形成饱和吸收光谱(即SAS 8)，其光谱频率用来确定Laser2的扫频范围；另一束光束通过半波片11和第一PBS12，用来控制光束的功率。这束光被透镜5聚焦，并被厚玻璃片41的前后两个表面反射到蒸汽池7中，作为探测光束。此外，Laser2还发射出另一束光束，通过半波片21和第二PBS22，并经厚玻璃片42的前后两个表面反射后作为耦合光束反射到蒸汽池7中。耦合光和探测光在133Cs蒸汽池7中反向传播。利用饱和吸收技术，在133Cs D2线的6P3/2的整个跃迁过程中对上述饱和吸收光谱的频率进行扫描，通过探测器6(双光子探测器)接收经过蒸汽池的探测光和耦合光信号，并将光信号转换为电信号，此信号即为探测光和耦合光形成的差分信号，之后再被输入示波器(图中未示)并放大，通过调谐可得到TPA光谱。
本发明的原理：通过对梯形结构的133Cs原子在6S1/2(F＝4)-6P3/2(F’＝3，4，5)-7S1/2(F”＝3，4)和6S1/2(F＝3)-6P3/2(F’＝2，3，4)-7S1/2(F”＝3，4)两个跃迁过程中的形成的高分辨率双光子吸收(TPA)谱进行研究，发现由于过程中存在功率增宽效应，在大失谐条件下(Δp＝2π×201MHz)耦合激光的强度越强，6S1/2(F＝4)态和7S1/2(F″＝4)态之间的原子相干性就越差，如图2所示，为大失谐条件下(Δp＝2π×201MHz)不同耦合激光的强度下，6S1/2(F＝4)-6P3/2(F’＝3)-7S1/2(F”＝3，4)跃迁过程中的TPA光谱。此外，在梯形原子系统下6S1/2(F＝4)-6P3/2-7S1/2跃迁的EIT和TPA光谱，还表现为如图3-图6所示。
图3-图4中，在7S1/2(F″＝4)的TPA光谱中观测到两个EIT凹陷峰，这是因为三能级结构形成了EIT。其中一个在7S1/2(F″＝4)态的凹陷峰与吸收峰值叠加，另一个EIT凹陷峰接近7S1/2(F″＝4)的吸收谱，并且相对较小。由于EIT的相干性比TPA要小，所以光谱中发现EIT凹陷峰的宽度小于TPA峰的宽度。但是在7S1/2(F″＝3)态的跃迁过程中，没有发现EIT现象。因为有一部分原子被激发到7S1/2(F″＝3)态，并且这些原子通过中间态(6P3/2)被光学泵入另一个基态(F＝3)，所以在铯原子的一个基态(F＝4)上粒子数被耗尽。在这种开放的循环跃迁过程中，EIT过程的相干性被破坏。因此，可以理解为TPA过程在铯原子6S1/2(F＝4)-6P3/2(F’＝3)-7S1/2(F”＝3，4)的跃迁过程中超越了EIT过程。
图5-图6中，因为TPA光谱的宽度是由7S1/2能级的自发辐射率决定的，而EIT光谱的宽度受到偶极禁阻跃迁的退相干率限制，所以通过增加耦合光强度，7S1/2(F″＝4)态的TPA光谱会戏剧性地转变为对应的EIT光谱。并且在铯原子6S1/2(F＝4)→6P3/2(F′＝5)的跃迁来说是一个闭合跃迁，根据选择定则它不能衰变成另一个更低的基态(F＝3)。因此，TPA的吸收效应几乎被完全抑制，EIT效应在这样的循环跃迁中占据了主导地位，由此实现通过改变耦合光的强度，可以改变铯原子跃迁过程中双光子吸收光谱和电磁诱导透明光谱的强弱，即可选择的得到TPA光谱还是EIT光谱。
本发明在实验上观察到在开放的梯形结构铯原子(133Cs)的6S1/2-6P3/2-7S1/2跃迁过程中存在丰富的TPA光谱，并且讨论了TPA和EIT的竞争关系。这对进一步研究里德堡原子乃至光冷却和光存储等领域有着潜在的应用，因此本发明具有较强的应用前景。
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，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)
1.一种调控铯原子双光子吸收光谱中电磁诱导透明的方法，其特征在于，包括：
将探测光和耦合光输入至一Cs蒸汽池中实现铯原子跃迁；
探测器测量经过所述Cs蒸汽池的探测光和耦合光的频率，并经示波器的作用，得到铯原子跃迁过程的光谱；
调节所述耦合光的强度，得到新的所述铯原子跃迁过程的光谱；
其中，所述铯原子跃迁过程的光谱为双光子吸收光谱和电磁诱导透明光谱共存的双结构光谱；
其中，所述调节所述耦合光的强度，得到新的所述铯原子跃迁过程的光谱，包括：
通过调节所述耦合光的强度，以改变所述铯原子跃迁过程中所述双光子吸收光谱和所述电磁诱导透明光谱的强弱，来得到所述双光子吸收光谱或所述电磁诱导透明光谱。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述探测光的波长小于所述耦合光的波长。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述探测光和所述耦合光重叠且反向传播。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述探测光用于将所述Cs蒸汽池中的铯原子从基态激发至中间态，所述耦合光用于将所述Cs蒸汽池中的铯原子从中间态激发至里德堡态。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过改变所述耦合光的强度，改变铯原子跃迁过程中双光子吸收光谱和电磁诱导透明光谱的强弱。
6.一种调控铯原子双光子吸收光谱中电磁诱导透明的装置，其特征在于，所述装置实现权利要求1至5中任一所述调控铯原子双光子吸收光谱中电磁诱导透明的方法，该装置包括：
一Cs蒸汽池；
第一激光器，发射所述探测光，所述探测光依次经过第一半波片、第一PBS和一透镜传输至所述Cs蒸汽池；
第二激光器，发射所述耦合光，所述耦合光依次经过第二半波片和第二PBS传输至所述Cs蒸汽池；以及
示波器，接收所述探测光和所述耦合光的频率，得到铯原子跃迁过程的光谱。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一半波片和所述第二半波片分别控制所述探测光和所述耦合光的极化，所述第一PBS和所述第二PBS分别控制所述探测光和所述耦合光的功率，所述透镜实现对所述探测光的聚焦。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：
第三半波片和第三PBS，设置于所述第一激光器和所述第一半波片之间，所述探测光依次经过所述第三半波片和第三PBS得到两路光束，其中一路光束再传输至所述第一半波片，另一路光束形成饱和吸收光谱；以及
SAS模块，用于确定所述饱和吸收光谱的频率。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：
第一玻璃片，设置于所述透镜和所述Cs蒸汽池之间，用于将所述探测光反射至所述Cs蒸汽池；
第二玻璃片，设置于所述第二PBS和所述Cs蒸汽池之间，用于将所述耦合光反射至所述Cs蒸汽池；
其中，所述第一玻璃片和所述第二玻璃片平行放置，实现所述探测光和所述耦合光的重叠且反向传播。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：
探测器，用于测量经过所述Cs蒸汽池的探测光和耦合光的频率。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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