CN112701554A - 基于里德堡原子激发四波混频的太赫兹波产生方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于里德堡原子激发四波混频的太赫兹波产生方法及系统，包括：提供一原子气室，确定所述原子气室内的原子种类，使用微波源通过微波天线向所述原子气室发射微波；选择三个激光器，由两个激光器发射耦合光与辅助光，将所述控制光与辅助光分别进行频率控制与光斑整形后，经过合束器合束后通过第一二相色镜进入原子气室，形成耦合光与辅助光的光斑；通过激光器发射泵浦光，进行频率控制及光斑整形后通过第二二相色镜反射进入所述原子气室，形成泵浦光的光斑，在泵浦光的作用下，当耦合光、辅助光、微波频率与相应跃迁共振，且波矢量满足相位匹配条件，在微波传输方向上获得太赫兹波。本发明具有室温下工作、易小型化和低成本等优点。

Description

基于里德堡原子激发四波混频的太赫兹波产生方法及系统

技术领域

本发明属于太赫兹产生技术领域，特别是一种基于里德堡原子激发四波混频的太赫兹波产生方法及系统。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1THz—10THz波段内的电磁波，位于红外和微波之间，它具有穿透性、分子指纹特征及高带宽等性质，在通信、成像、雷达及安全检测领域有重要的应用。然而在这一波段由于缺乏高效的太赫兹波源、探测器及相关调节元器件，限制了太赫兹波的进一步应用，其丰富的频谱资源未被充分的开发。高效的太赫兹波源技术与太赫兹探测技术是推动太赫兹波应用的关键。

太赫兹波源研究占据太赫兹技术研究的重要位置，一直是该领域的研究热点，产生太赫兹波的途径主要有基于电子学技术的太赫兹辐射源、基于光子学技术的太赫兹辐射源和基于超快激光技术的太赫兹辐射源3种。基于电子学技术的主要包括返波管、耿氏振荡器以及固态倍频等，这类太赫兹波源产生的太赫兹频率一般在1THz一下，输出功率通常在数十微瓦到毫瓦量级；基于光子学技术的主要包括量子级联激光器、自由电子激光器和气体激光器，这类波源通常需要在低温下工作，成本高，且输出功率也不高；基于超快激光技术的太赫兹产生过程一般分为线性过程和非线性过程，这类波源具有脉宽窄、峰值功率高等优点，但是存在能量转换效率低、平均输出功率低、成本高等问题。

因此，探索在室温下工作、高输出功率、连续可调及小型化太赫兹产生技术，将大大促进太赫兹技术的发展与应用，也是太赫兹技术的重要发展目标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于里德堡原子激发四波混频的太赫兹波产生方法及系统，解决在室温下工作、高输出功率、连续可调产生太赫兹波的问题。

有鉴于此，本发明提供一种基于里德堡原子激发四波混频的太赫兹波产生方法，其特征在于，包括：

首先，提供一原子气室，确定所述原子气室内的原子种类，使用微波源通过微波天线向所述原子气室发射微波；

然后，选择激光器C，激光器R与激光器P，通过激光器C发射耦合光，激光器R发射辅助光，将所述控制光与辅助光分别进行频率控制与光斑整形后，经过合束器合束后通过第一二相色镜进入原子气室，形成耦合光与辅助光的光斑；

最后，通过激光器P发射泵浦光，进行频率控制及光斑整形后通过第二二相色镜反射进入所述原子气室，形成泵浦光的光斑，在泵浦光的作用下，当耦合光、辅助光、微波频率与相应跃迁共振，且波矢量满足相位匹配条件，在微波传输方向上获得太赫兹波。

进一步地，将所述控制光与辅助光分别进行频率控制与光斑整形后，经过合束器合束后通过第一二相色镜进入原子气室，还包括：调整使所述耦合光与辅助光具有一定的夹角的步骤。

进一步地，所述泵浦光的光斑覆盖所述耦合光与辅助光的光斑。

进一步地，所述选择激光器C，激光器R与激光器P，还包括：将相应激光器产生的激光频率锁定或调节至对应原子能级跃迁的频率上。

进一步地，使用微波源通过微波天线向所述原子气室发射微波，还包括：对所述原子气室进行温度控制，使其温度稳定在某个特定的温度。

进一步地，确定所述原子气室内的原子种类，还包括：确定原子所选择原子种类及相应电磁波波长或者频率。

进一步地，在微波传输方向上获得太赫兹波，还包括：选择不同的里德堡能级并调节相应激光频率来调整所述太赫兹波的频率。

本发明的另一目的在于提供一种基于里德堡原子激发四波混频的太赫兹波产生系统，其特征在于，包括：

激光器C与激光器R，所述激光器C用于发射耦合光，所述激光器R用于发射辅助光；

光束调整模块，用于将相应激光进行频率控制与光斑整形；

合束器，用于将耦合光与辅助光进行合束后通过第一二相色镜进入原子气室，形成耦合光与辅助光的光斑；

激光器P，用于发射泵浦光，进行频率控制及光斑整形后通过第二二相色镜反射进入所述原子气室，形成泵浦光的光斑；

原子气室，用于确定所述原子气室内的原子种类，使用微波源通过微波天线向所述原子气室发射微波；在泵浦光的作用下，当耦合光、辅助光、微波频率与相应跃迁共振，且波矢量满足相位匹配条件，在微波传输方向上获得太赫兹波。

本发明实现了以下显著的有益效果：

实现简单，包括：首先，提供一原子气室，确定所述原子气室内的原子种类，使用微波源通过微波天线向所述原子气室发射微波；然后，选择激光器C，激光器R与激光器P，通过激光器C发射耦合光，激光器R发射辅助光，将所述控制光与辅助光分别进行频率控制与光斑整形后，经过合束器合束后通过第一二相色镜进入原子气室，形成耦合光与辅助光的光斑；最后，通过激光器P发射泵浦光，进行频率控制及光斑整形后通过第二二相色镜反射进入所述原子气室，形成泵浦光的光斑，在泵浦光的作用下，当耦合光、辅助光、微波频率与相应跃迁共振，且波矢量满足相位匹配条件，在微波传输方向上获得太赫兹波。基于里德堡原子激发四波混频效应，实现窄线宽可调谐得太赫兹波产生，具有室温下工作、易小型化和低成本等优点，将该系统应用于太赫兹技术，有望拓展其应有范围，推动其在雷达、检测、通信等领域的跨越式发展。

附图说明

图1为本发明的一种基于里德堡原子激发四波混频的太赫兹波产生系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的相互作用能级结构示意图；

图3为本发明实施例的四波混频相位匹配关系图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均适用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

需要说明的是，为了清楚地说明本发明的内容，本发明特举多个实施例以进一步阐释本发明的不同实现方式，其中，该多个实施例是列举式而非穷举式。此外，为了说明的简洁，前实施例中已提及的内容往往在后实施例中予以省略，因此，后实施例中未提及的内容可相应参考前实施例。

虽然该发明可以以多种形式的修改和替换来扩展，说明书中也列出了一些具体的实施图例并进行详细阐述。应当理解的是，发明者的出发点不是将该发明限于所阐述的特定实施例，正相反，发明者的出发点在于保护所有给予由本权利声明定义的精神或范围内进行的改进、等效替换和修改。同样的元模块件号码可能被用于所有附图以代表相同的或类似的部分。

请参照图1，本发明的一种基于里德堡原子激发四波混频的太赫兹波产生方法，包括：

首先，提供一原子气室，确定所述原子气室内的原子种类，使用微波源通过微波天线向所述原子气室发射微波；

然后，选择激光器C，激光器R与激光器P，通过激光器C发射耦合光，激光器R发射辅助光，将所述控制光与辅助光分别进行频率控制与光斑整形后，经过合束器合束后通过第一二相色镜进入原子气室，形成耦合光与辅助光的光斑；

最后，通过激光器P发射泵浦光，进行频率控制及光斑整形后通过第二二相色镜反射进入所述原子气室，形成泵浦光的光斑，在泵浦光的作用下，当耦合光、辅助光、微波频率与相应跃迁共振，且波矢量满足相位匹配条件，在微波传输方向上获得太赫兹波。

在一个实施例中，将所述控制光与辅助光分别进行频率控制与光斑整形后，经过合束器合束后通过第一二相色镜进入原子气室，还包括：调整使所述耦合光与辅助光具有一定的夹角的步骤。

在一个实施例中，所述泵浦光的光斑覆盖所述耦合光与辅助光的光斑。

在一个实施例中，所述选择激光器C，激光器R与激光器P，还包括：将相应激光器产生的激光频率锁定或调节至对应原子能级跃迁的频率上。

在一个实施例中，使用微波源通过微波天线向所述原子气室发射微波，还包括：对所述原子气室进行温度控制，使其温度稳定在某个特定的温度。

在一个实施例中，确定所述原子气室内的原子种类，还包括：确定原子所选择原子种类及相应电磁波波长或者频率。

在一个实施例中，在微波传输方向上获得太赫兹波，还包括：选择不同的里德堡能级并调节相应激光频率来调整所述太赫兹波的频率。

本发明的另一目的在于提供一种基于里德堡原子激发四波混频的太赫兹波产生系统，包括：

激光器C与激光器R，所述激光器C用于发射耦合光，所述激光器R用于发射辅助光；

光束调整模块，用于将相应激光进行频率控制与光斑整形；

合束器，用于将耦合光与辅助光进行合束后通过第一二相色镜进入原子气室，形成耦合光与辅助光的光斑；

激光器P，用于发射泵浦光，进行频率控制及光斑整形后通过第二二相色镜反射进入所述原子气室，形成泵浦光的光斑；

原子气室，用于确定所述原子气室内的原子种类，使用微波源通过微波天线向所述原子气室发射微波；在泵浦光的作用下，当耦合光、辅助光、微波频率与相应跃迁共振，且波矢量满足相位匹配条件，在微波传输方向上获得太赫兹波。

本发明的工作原理是：利用四波混频效应，在三束电磁波与介质相互作用的系统中，当介质三阶非线性系数不为零时，这个作用系统会相干的产生第四束电磁波，四束电磁波频率满足能量守恒关系，波长满足动量守恒条件。四波混频过程是一种参量过程，混频前后介质的状态不会变化，它使得能量在电磁波之间进行转移，实现不同频率电磁波的相干输出。

作为具体的实施例，本发明的一种基于里德堡原子激发四波混频的太赫兹波产生系统包括：三个激光器和一个微波源，合束器23、二相色镜(21和23)以及原子气室3等，部分用于调整激光光束质量及传播方向的光学元器件没有标出。其中激光包括激光器P11、激光器C12和激光器R13以及激光稳频模块和一些光学元器件，它的作用是提供系统所需的稳频激光，且激光功率、传播方向、光斑大学可调节；微波源中包括微波开关与发射天线等，给系统提供一个频率、功率可调节的电磁波；合束器的作用是对激光进行合束，使激光在原子气室中达到满足实验要求的光路重合与光斑覆盖；二相色镜与合束器类似，主要对不同波长的激光进行合束与分束；原子气室提供四波混频作用的介质，它主要包括原子气泡及温控系统。

作为具体的实施例，激光器C12发射的激光作为控制光C，激光器R13发射的激光作为辅助光R，激光C与R分别进行频率控制与光斑整形后，经过合束器23的作用合束后通过二相色镜22进入3原子气室，调整使两束光具有一定的夹角θ(θ<<1°)；激光器P11发射的激光作为泵浦光P，频率控制及光斑整形后通过二相色镜21反射进入原子气室3，在气室内泵浦光P的光斑覆盖耦合光C与辅助光R的光斑；微波源14通过微波天线向原子气室发射微波M，此时通过光与原子相互作用，适当的调节光、微波功率与频率，即可在微波传输方向上获得太赫兹波，实现太赫兹波的产生。

作为具体的实施例，原子气室中原子可以为任何原子，确定原子种类后，在原子能级中选择五个能级，与激光组成如图2所示的耦合结构，其中能级|1>为基态，|2>为第一激发态，能级|3>，|4>，|5>为原子里德堡态，选择相应的激光、微波频率使其与对应的能级跃迁共振。目前常用的原子有铷原子⁸⁷Rb、⁸⁵Rb、钠原子²³Na、铯原子¹³³Cs以及锶原子和钙原子等碱金属或碱土金属原子。以⁸⁷Rb为例，能级|1>＝|5S_1/2，F＝2，M_F＝2>；|2>＝|5P_3/2，F＝3，M_F＝1>；|3>＝|56D_5/2，m_j＝1/2>；|4>＝|57P_3/2，m_j＝1/2>；|5>＝|50D_5/2，m_j＝1/2>。相对应的电磁波波长或频率为：P：780nm；C：479.9nm；M：12GHz；T：288GHz；R：480.12nm。在泵浦光P(与能级|1>-|2>跃迁共振)的作用下，当耦合光C、辅助光S、微波M频率与相应跃迁共振，且波矢量满足如图3所示的关系(相位匹配)时，调节电磁场功率，获得太赫兹波输出。

作为具体的实施例，产生的太赫兹波频率可以通过选择不同的里德堡能级并调节相应激光频率来实现，可实现对太赫兹波段的覆盖。

作为具体的实施例，可以通过温度控制系统对原子气室的温度进行调控，气室中原子的数量与温度相关，通过升温可以增加气室中参与作用的原子数量，根据实际太赫兹产生情况，优化气室并确定气室温度。同样各参与作用的电磁波频率、功率、光束方向、光斑大小都可以通过最终太赫兹产生情况做优化。

作为具体的实施例，本发明的一种基于里德堡原子激发四波波混频效应的太赫兹波产生方法为：按照图1所示的构架该系统，确定原子所选择原子种类及相应电磁波波长或者频率，原子能级及相应电磁场频率如图2所示，结合原子能级机构锁定电磁波频率与功率，调整光路使满足如图3所示的相位匹配条件，即可实现太赫兹波的输出，具体实施流程如下所述：

步骤一，根据所需产生太赫兹频率，确定原子种类及能级结构，确定所需电磁波频率、功率与光斑大小；

步骤二，按照图1所示构建系统，具体光路即器件连接如上述太赫兹产生过程所描述；

步骤三，将相应激光频率锁定或调节至对应原子能级跃迁的频率上；

步骤四，对原子气室进行温度控制，使其温度稳定在某个特定的温度(具体根据实际优化确定，不做限定，如对于Rb原子，温度为50摄氏度左右)；

步骤五，调节所涉及各电磁波功率，在满足相位匹配条件的方向上观测太赫兹波产生情况；

步骤六，根据观测所得太赫兹波功率进一步优化系统所涉电磁波频率、功率、光路等；

步骤七，优化获得最强太赫兹波输出。

本发明实现了以下显著的有益效果：

实现简单，包括：首先，提供一原子气室，确定所述原子气室内的原子种类，使用微波源通过微波天线向所述原子气室发射微波；然后，选择激光器C，激光器R与激光器P，通过激光器C发射耦合光，激光器R发射辅助光，将所述控制光与辅助光分别进行频率控制与光斑整形后，经过合束器合束后通过第一二相色镜进入原子气室，形成耦合光与辅助光的光斑；最后，通过激光器P发射泵浦光，进行频率控制及光斑整形后通过第二二相色镜反射进入所述原子气室，形成泵浦光的光斑，在泵浦光的作用下，当耦合光、辅助光、微波频率与相应跃迁共振，且波矢量满足相位匹配条件，在微波传输方向上获得太赫兹波。基于里德堡原子激发四波混频效应，实现窄线宽可调谐得太赫兹波产生，具有室温下工作、易小型化和低成本等优点，将该系统应用于太赫兹技术，有望拓展其应有范围，推动其在雷达、检测、通信等领域的跨越式发展。

根据本发明技术方案和构思，还可以有其他任何合适的改动。对于本领域普通技术人员来说，所有这些替换、调整和改进都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于里德堡原子激发四波混频的太赫兹波产生方法，其特征在于，包括：

首先，提供一原子气室，确定所述原子气室内的原子种类，使用微波源通过微波天线向所述原子气室发射微波；

然后，选择激光器C，激光器R与激光器P，通过激光器C发射耦合光，激光器R发射辅助光，将所述控制光与辅助光分别进行频率控制与光斑整形后，经过合束器合束后通过第一二相色镜进入原子气室，形成耦合光与辅助光的光斑；

最后，通过激光器P发射泵浦光，进行频率控制及光斑整形后通过第二二相色镜反射进入所述原子气室，形成泵浦光的光斑，在泵浦光的作用下，当耦合光、辅助光、微波频率与相应跃迁共振，且波矢量满足相位匹配条件，在微波传输方向上获得太赫兹波。

2.根据权利要求1所述的基于里德堡原子激发四波混频的太赫兹波产生方法，其特征在于，将所述控制光与辅助光分别进行频率控制与光斑整形后，经过合束器合束后通过第一二相色镜进入原子气室，还包括：调整使所述耦合光与辅助光具有一定的夹角的步骤。

3.根据权利要求1所述的基于里德堡原子激发四波混频的太赫兹波产生方法，其特征在于，所述泵浦光的光斑覆盖所述耦合光与辅助光的光斑。

4.根据权利要求1所述的基于里德堡原子激发四波混频的太赫兹波产生方法，其特征在于，所述选择激光器C，激光器R与激光器P，还包括：将相应激光器产生的激光频率锁定或调节至对应原子能级跃迁的频率上。

5.根据权利要求1所述的基于里德堡原子激发四波混频的太赫兹波产生方法，其特征在于，使用微波源通过微波天线向所述原子气室发射微波，还包括：对所述原子气室进行温度控制，使其温度稳定在某个特定的温度。

6.根据权利要求1所述的基于里德堡原子激发四波混频的太赫兹波产生方法，其特征在于，确定所述原子气室内的原子种类，还包括：确定原子所选择原子种类及相应电磁波波长或者频率。

7.根据权利要求1所述的基于里德堡原子激发四波混频的太赫兹波产生方法，其特征在于，在微波传输方向上获得太赫兹波，还包括：选择不同的里德堡能级并调节相应激光频率来调整所述太赫兹波的频率。

8.一种基于里德堡原子激发四波混频的太赫兹波产生系统，其特征在于，包括：

激光器C与激光器R，所述激光器C用于发射耦合光，所述激光器R用于发射辅助光；

光束调整模块，用于将相应激光进行频率控制与光斑整形；

合束器，用于将耦合光与辅助光进行合束后通过第一二相色镜进入原子气室，形成耦合光与辅助光的光斑；

激光器P，用于发射泵浦光，进行频率控制及光斑整形后通过第二二相色镜反射进入所述原子气室，形成泵浦光的光斑；

原子气室，用于确定所述原子气室内的原子种类，使用微波源通过微波天线向所述原子气室发射微波；在泵浦光的作用下，当耦合光、辅助光、微波频率与相应跃迁共振，且波矢量满足相位匹配条件，在微波传输方向上获得太赫兹波。

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