CN112782106B - 一种获得窄线宽里德堡原子光谱的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种获得窄线宽原子光谱的装置和方法，包括由同一台激光器提供的两束相位锁定的激光、声光频移器、望远镜系统、原子气室及探测器。激光器输出激光分成泵浦光和探测光；声光频移器放置在望远镜系统中间，提高频率扫描时光束指向的稳定性。激光穿过声光频移器之后经零度反射镜反射再次穿过声光频移器实现两次移频；探测光和泵浦光经过独立声光频移器实现频移，移频后光束偏振独立，在偏振分光棱镜上合束后穿过原子气室，出射激光经分束后，弱光用来探测。该实验方案基于低激发态原子的λ型能级结构和相位锁定激光系统，实现原子布居数的调制，获得窄线宽光谱；基于原子布居数调制的线宽压窄工作机制，可直接扩展应用于获得窄线宽里德堡原子光谱。

Description

一种获得窄线宽里德堡原子光谱的装置和方法
技术领域
本发明涉及激光光谱领域和量子光学领域，具体是一种获得窄线宽里德堡原子光谱的装置和方法。
背景技术
高精密光谱对于基础科学、深空探测、生物医学等领域都有重要价值。近年来，基于量子理论的测量和传感方案，已在光谱领域取得较大的进展。基于光场和传感介质的量子调控，实现特定量子态光场制备和原子介质量子态制备，实现高灵敏的磁场传感；基于高激发态里德堡原子的制备，结合电磁感应透明(EIT)光谱，已实现高精度微波电场测量。
室温气室的原子介质，是非常好的量子系统，但室温原子的量子态相干性会受速度相关的多普勒效应、原子密度相关的碰撞效应等退相干影响。室温条件下，原子与气室以及原子与原子之间的碰撞都会导致量子相干性变差，特别是中性原子的相干布居俘获光谱，通过基态自旋弛豫时间的延长，实验室已获得kHz的光谱线宽。里德堡态原子寿命更长，理论上可以获得更窄线宽光谱。实际中，原子EIT光谱由于量子叠加态的相位敏感，横向弛豫时间较短，光谱线宽在几十MHz，其限制了EIT光谱在传感和测量领域的应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种可获得窄线宽光谱的装置和方法。在较为简单的装置和光路情况下，可获得窄线宽原子光谱，该光谱对环境造成的横向弛豫退相干不敏感。
本发明所提供的一种获得窄线宽里德堡原子光谱的装置是采用如下技术方案实现的：一种获得窄线宽里德堡原子光谱的装置，包括激光源，沿激光源出射光路依次设置有二分之一波片和第一偏振分光棱镜，第一偏振分光棱镜的反射光路上顺次设有第一聚焦透镜、第一声光频移器、第二聚焦透镜、第一四分之一波片、第一零度平面全反镜；第一偏振分光棱镜的透射光路上顺次设有第三聚焦透镜、第二声光频移器、第四聚焦透镜、第二四分之一波片、第二零度平面全反镜；其中第二聚焦透镜位于第一声光频移器出射端负一级或正一级的衍射光路上，第四聚焦透镜位于第二声光频移器出射端负一级或正一级的衍射光路上；第一偏振分光棱镜的反射光路的反向延长线上顺次设有内部充有原子气体的原子气室、第二偏振分光棱镜，第二偏振分光棱镜的透射或反射光路上设有探测器；所述激光源已进行锁频处理；经第一偏振分光棱镜偏振后的两束线偏振光相互正交，分别作为探测光和泵浦光。
上述激光源输出的激光经过锁频，主要输出激光经过二分之一波片和第一偏振分光棱镜分束，分为两束相互正交的偏振光，泵浦光与探测光分别双次穿过独立的声光频移器实现激光频率的可控调谐，再经第一偏振分光棱镜耦合在一起同向传播进入原子气室中，由于激光与原子的相互作用实现原子的布居数调制，导致探测光的透射增强，并用第二偏振分光棱镜将探测光和泵浦光分开，出射的探测光进入到探测系统进行探测，得到窄线宽相干布居振荡光谱。
本发明所述相干布居振荡(CPO)利用相位锁定的泵浦光和探测光耦合原子，通过原子态布居数调制实现窄线宽光谱，光谱线宽主要受限于原子能态的自发辐射寿命，即纵向弛豫时间，能实现远小于自发辐射线宽的光谱。高能态的里德堡原子，其自发辐射寿命更长，其更有利于通过CPO方案获得窄线宽光谱。
进一步的，位于第一声光频移器光路两侧的第一聚焦透镜和第二聚焦透镜是共焦的，第一声光频移器位于第一聚焦透镜和第二聚焦透镜的焦点处；位于第二声光频移器光路两侧的第三聚焦透镜和第四聚焦透镜是共焦的，第二声光频移器位于第三聚焦透镜和第四聚焦透镜的焦点处。
上述光路布置方式可提高声光频移器的衍射效率和提高调谐激光频率时激光指向的稳定性，使经过移频后的激光仍然为平行光束。
进一步的，第一偏振分光棱镜的透射光路上设有一个反射镜，第三聚焦透镜位于该反射镜的反射光路上；第一偏振分光棱镜的反射光路的反向延长线上顺次设有两个反射镜，原子气室位于第二个反射镜的反射光路上。
上述光路布置可以有效减小整个装置的体积，所述装置的组件可以集成装在一个隔震平台上，并加盖箱体，方便携带。
原子气室放置在由三层高磁导率合金制作的磁屏蔽桶中。
激光源可采用红外或者紫外激光源，其输出激光可进行碱金属原子的高激发态布居。
所述的原子气室是充有碱金属(如锂、钠、钾、铷或铯等)的真空气室。
本发明所提供的一种获得窄线宽里德堡原子光谱的方法是采用如下技术方案实现的：
一种获得窄线宽里德堡原子光谱的方法，包括如下步骤：激光源输出的激光经过锁频，主要输出激光经过半波片和第一偏振分光棱镜分束，分为两束相互正交的线偏振光，选择其中功率较强的一束激光作为泵浦光，功率较弱的一束激光作为探测光，泵浦光与探测光分别双次穿过独立的第一、第二声光频移器实现激光频率的可控调谐，即两束光分别经过双次频移；之后两束光再经第一偏振分光棱镜耦合在一起同向传播进入原子气室中且偏振方向正交；泵浦光的频率移频后共振于原子气室所充原子的一条跃迁线，探测光的频率则在该跃迁线附近连续扫描，通过两束光与原子气室中所充原子的相互作用实现原子布居数调制，实现探测光的透射增强，线宽压窄，并用第二偏振分光棱镜将探测光和泵浦光分开，出射的探测光进入到探测器进行探测，得到窄线宽相干布居振荡光谱。
本发明所述方法基于里德堡原子的λ型能级结构和相位锁定激光系统，实现原子布居数的调制，获得窄线宽光谱。利用容易实现的设施极大的压窄了光谱线宽，优化了激光探测系统的信噪比。
与现有技术相比，本发明的优点和效果：
1)本发明利用热原子气室，避免了冷原子系统的复杂操作，容易操作，降低了成本。
2)本发明简化了光路结构，并且所有光路可集成在一个装置内，便于移动和携带，有良好的应用前景。
3)本发明为量子光学基础实验、量子精密测量等研究领域提供了一种操作简便，结构简单，易于调节的窄线宽里德堡原子光谱的装置和方法。
附图说明
图1本发明获得窄线宽原子光谱的装置示意图。
图2低激发态相干布居振荡的原子能级结构图。
图3铯原子气室饱和吸收谱与相干布居振荡光谱的比较示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明里德堡原子光谱的装置作进一步详细说明。
一种获得窄线宽里德堡原子光谱的装置，如图1所示，包括激光源、半波片1、第一偏振分光棱镜2、第一聚焦透镜3、第二聚焦透镜5、第三聚焦透镜8、第四聚焦透镜10、第一声光频移器4、第二声光频移器9、第一四分之一波片6、第二四分之一波片11、第一零度平面全反镜7、第二零度平面全反镜12、原子气室13、磁屏蔽桶14、第二偏振分光棱镜15、探测器16。聚焦透镜构成望远镜系统。
我们以铯原子低激发态为例，进行具体介绍，利用铯原子里德堡跃迁6S→nP的简并能级实现CPO光谱。泵浦光和探测光由同一台红外或紫外窄线宽激光器提供，输出激光分出一部分，利用铯原子6S→nP跃迁线进行锁频。主要输出激光经过二分之一波片1和第一偏振分光棱镜2分为S偏振(反射)和P偏振(透射)，其中第一偏振分光棱镜2的消光比为30dB，从而可保证两光束的线偏振特性，将其中功率较强的一路激光作为泵浦光，功率较弱的一路激光作为探测光。泵浦光和探测光分别穿过声光频移器(第一声光频移器4、第二声光频移器9)发生衍射，其中的负一级(或正一级)衍射光经过与第一个透镜(第一聚焦透镜3、第三聚焦透镜8)共焦的另一聚焦透镜(第二聚焦透镜5、第四聚焦透镜10)后变为平行光束，再经过四分之一波片(第一四分之一波片6、第二四分之一波片11)和零度平面全反镜(第一零度平面全反镜7、第二零度平面全反镜12)后沿原路返回，再次经过声光频移器(第一声光频移器4、第二声光频移器9)发生衍射，双次穿过声光频移器(第一声光频移器4、第二声光频移器9)的衍射光在第一偏振分光棱镜2上合束。在这个过程中两束光分别各自经过AOM(第一声光频移器4、第二声光频移器9)双次频移，频移后激光近共振于铯原子6S1/2→nP3/2跃迁线。合束后的探测光和泵浦光同向进入充有铯原子的原子气室13中且偏振方向正交。泵浦光的频率移频后共振于铯原子6S1/2→nP3/2，探测光的频率则在该跃迁频率附近连续扫描(如图2所示)。能级图中，|a＞是激发态能级，|b＞和|c>是原子基态Zeeman简并能级；δ是探测光频率失谐，Ω1ac，Ω1ab是探测激光强度相关的参数，Ω2ac，Ω2ab是泵浦激光强度相关的参数；γ′是上能级衰减系数，γ是基态能级的衰减系数。考虑激光偏振组合，两套二能级系统共用上能级，即λ型能级结构。由于泵浦光和探测光相位锁定，偏振光导致的光抽运干涉效应可以消除光谱对上能级衰减系数γ′的依赖，光谱只依赖基态原子衰减吸收γ，γ非常小，因此光谱较窄。铯原子和两光束在相干布居振荡效应的作用下导致探测光的透射增强。穿过充有铯原子的原子气室13后，泵浦光被第二偏振分光棱镜15分离，探测光由10MHz带宽低噪声探测器16进行光谱测量。即可获得窄线宽里德堡原子光谱。实验所用原子气室13长度为10cm。室温下，铯原子充气压强～10-6Torr，原子热运动导致的多普勒展宽～400MHz。原子气室13放置在由三层高磁导率合金制作的磁屏蔽桶14中，桶内剩余磁场～3nT，磁屏蔽桶用于屏蔽背景磁场对原子Zeeman能级的影响。实验中我们已经利用铯原子超精细跃迁6S1/2(F＝3)→6P3/2(F′＝2)的简并能级实现了CPO光谱，其典型光谱线宽～0.05MHz，基态6S1/2(F＝3)→6P3/2(F′＝2)跃迁线的饱和吸收谱线宽～29.8MHz。CPO光谱线宽是能级自发辐射线宽5.2MHz的1/110，是饱和吸收光谱线宽的1/600(如图3所示)。
本实验装置利用室温铯原子气室作为介质,该光谱机制对于二能级系统或者简并二能级系统都适用，可以直接应用于里德堡原子的窄线宽CPO光谱。对于简并能级的铯原子系统，通过偏振正交的泵浦光和探测光实现简并CPO系统的布居数调制，获得探测光谱的干涉增强或者干涉相消。
近年，里德堡光谱由于其电场测量的优势，引起较大关注。微波或者电场测量，主要通过量子态干涉的EIT过程实现，典型线宽在几十MHz左右，远大于里德堡态kHz的辐射线宽，光谱主要受限于原子态的退相干。CPO光谱通过对原子布居数调制获得窄线宽光谱，其不依赖原子态的相位。因此，本发明基于CPO方案获得较窄的里德堡光谱，在微波传感等领域有潜在价值。
综上所述，CPO光谱主要考虑原子布居数的相干振荡，其线宽极限主要依赖原子态自发辐射线宽，通过λ型能级结构可以进一步减弱上能级辐射线宽的影响。应用于电场、微波传感的里德堡原子，其自发辐射寿命更长，其在实验上更有利于获得窄线宽光谱。

Claims (8)

1.一种获得窄线宽里德堡原子光谱的装置，包括激光源，其特征在于，沿激光源出射光路依次设置有半波片（1）和第一偏振分光棱镜（2），第一偏振分光棱镜（2）的反射光路上顺次设有第一聚焦透镜（3）、第一声光频移器（4）、第二聚焦透镜（5）、第一四分之一波片（6）、第一零度平面全反镜（7）；第一偏振分光棱镜（2）的透射光路上顺次设有第三聚焦透镜（8）、第二声光频移器（9）、第四聚焦透镜（10）、第二四分之一波片（11）、第二零度平面全反镜（12）；其中第二聚焦透镜（5）位于第一声光频移器（4）出射端负一级或正一级的衍射光路上，第四聚焦透镜（10）位于第二声光频移器（9）出射端负一级或正一级的衍射光路上；第一偏振分光棱镜（2）的反射光路的反向延长线上顺次设有内部充有原子气体的原子气室（13）、第二偏振分光棱镜（15），第二偏振分光棱镜（15）的透射或反射光路上设有探测器（16）；所述激光源已进行锁频处理；经第一偏振分光棱镜（2）偏振后的两束线偏振光相互正交，分别作为探测光和泵浦光。
2.根据权利要求1所述的一种获得窄线宽里德堡原子光谱的装置，其特征在于：位于第一声光频移器（4）光路两侧的第一聚焦透镜（3）和第二聚焦透镜（5）是共焦的，第一声光频移器（4）位于第一聚焦透镜（3）和第二聚焦透镜（5）的焦点处；位于第二声光频移器（9）光路两侧的第三聚焦透镜（8）和第四聚焦透镜（10）是共焦的，第二声光频移器（9）位于第三聚焦透镜（8）和第四聚焦透镜（10）的焦点处。
3.根据权利要求2所述的一种获得窄线宽里德堡原子光谱的装置，其特征在于：第一偏振分光棱镜（2）的透射光路上设有一个反射镜，第三聚焦透镜（8）位于该反射镜的反射光路上；第一偏振分光棱镜（2）的反射光路的反向延长线上顺次设有两个反射镜，原子气室（13）位于第二个反射镜的反射光路上。
4.根据权利要求1~3任一项所述的一种获得窄线宽里德堡原子光谱的装置，其特征在于：原子气室（13）放置在由三层高磁导率合金制作的磁屏蔽桶（14）中。
5.根据权利要求4所述的一种获得窄线宽里德堡原子光谱的装置，其特征在于：装置各组件装在一个隔震平台上，并集成在一个箱体内。
6.一种获得窄线宽里德堡原子光谱的方法，采用权利要求1~5任一项所述装置来实现，其特征在于，包括如下步骤：激光源输出的激光经过锁频，主要输出激光经过二分之一波片（1）和第一偏振分光棱镜（2）分束，分为两束相互正交的线偏振光，选择功率较强的一路激光作为泵浦光，功率较弱的一路激光作为探测光，泵浦光与探测光分别双次穿过独立的第一、第二声光频移器（4、9）实现激光频率的可控调谐，即两束光分别经过双次频移；之后两束光再经第一偏振分光棱镜（2）耦合在一起同向传播进入原子气室（13）中，且偏振方向正交；泵浦光的频率移频后共振于原子气室（13）中所充原子的一条跃迁线，探测光的频率则在该跃迁线附近连续扫描，通过两束光与原子气室中所充原子的相互作用实现原子的布居数调制，实现探测光的透射增强、线宽压窄；第二偏振分光棱镜（15）将探测光和泵浦光分开，出射的探测光进入到探测器（16）进行探测，得到窄线宽相干布居振荡光谱。
7.如权利要求6所述的一种获得窄线宽里德堡原子光谱的方法，其特征在于，通过功率计测量由第一偏振分光棱镜（2）分出的两束光的功率，确定功率较强的一路为泵浦光，较弱的一路为探测光。
8.如权利要求6或7所述的一种获得窄线宽里德堡原子光谱的方法，其特征在于，所述激光源为短波长或者紫外激光源，原子气室（13）内充有碱金属原子。
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