CN114069370B - 原子里德堡态激发方法及激光系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供的原子里德堡态激发方法及激光系统，利用第一激光发射装置和第二激光发射装置出射激光，经过倍频装置，最终产生用作激发原子里德堡态的探测光和耦合光，经光纤合束器合束输出激发原子里德堡光谱。本申请的原子里德堡态激发激光系统使用电磁诱导透明装置对第二激光发射装置锁频，电磁诱导透明装置无腔体设计，抗外界振动能力强。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其是涉及一种原子里德堡态激发方法及激光系统。
背景技术
里德堡原子光谱可用于微波电场精密测量。相比于传统微波测量方案，里德堡光谱可溯源至频率，具有极高测量精度，是下一代传感和测量技术的发展方向。
里德堡原子光谱依赖精确的量子态制备，高激发里德堡原子制备通常采用阶梯型双光子激发方案。该方案一方面可以实现多种初始量子态的制备，另一方面有利于获得高精密光谱。里德堡原子典型能级线宽kHz，其对激发光场线宽有较高要求。半导体激光器和固体激光器典型线宽MHz，通常采用窄线宽超稳腔系统和PDH锁频技术实现激光频率锁定和线宽压窄，以满足里德堡原子的窄线宽激发。对于133Cs铯原子，通常利用半导体激光器出射的852nm激光与509nm激光的双光子激发方案实现原子里德堡态制备。半导体激光器的线宽较大，一般为MHz量级，且出光功率较小，通常为百mW。而且由于半导体激光器(ECDL)的原子里德堡态激发系统采用超稳腔锁频设计，抗外界振动能力较差，且体积庞大不易集成。
发明内容
法及激光系统。
一种原子里德堡态激发激光系统，包括：第一激光发射装置；第一倍频装置，与所述第一激光发射装置连接；锁频装置，与所述第一倍频装置和所述第一激光发射装置连接；第二激光发射装置；第二倍频装置，与所述第二激光发射装置连接；电磁诱导透明装置，与所述第一倍频装置、所述第二倍频装置和所述第二激光发射装置连接；光纤合束器，与所述第一倍频装置和所述第二倍频装置连接。
在一个实施例中，所述第一激光发射装置包括：第一种子源，用于出射第一激光；第一光纤放大器，与所述第一种子源连接，用于放大所述第一激光的功率。
在一个实施例中，所述第二激光发射装置包括：第二种子源，用于出射第二激光；第二光纤放大器，与所述第二种子源连接，用于放大所述第二激光的功率。
在一个实施例中，所述第一种子源和所述第二种子源为光纤激光器。
在一个实施例中，所述第一激光波长为1704nm。
在一个实施例中，所述第二激光波长为1018nm。
在一个实施例中，所述第一倍频装置和所述第二倍频装置为全光纤波导型倍频器。
在一个实施例中，所述锁频装置包括饱和吸收光谱稳频装置。
在一个实施例中，所述锁频装置包括波长计。
一种原子里德堡态激发方法，应用于上述任一实施例所述的原子里德堡态置出射所述第二激光；
所述第一激光进入所述第一倍频装置实现二次谐波倍频得到第一倍频光，所述第二激光进入所述第二倍频装置实现二次谐波倍频得到第二倍频光；
所述第一倍频光进入所述锁频装置后对所述第一激光发射装置进行频率锁定，所述第一倍频光与所述第二倍频光进入所述电磁诱导透明装置对所述第二激光发射装置进行频率锁定；
所述第一倍频光与所述第二倍频光进入所述光纤合束器合束输出。
本申请提供的所述原子里德堡态激发方法及激光系统，利用第一激光发射装置和第二激光发射装置出射激光，经过倍频装置，最终产生用作激发原子里德堡态的探测光和耦合光，经光纤合束器合束输出激发原子里德堡光谱。本申请的原子里德堡态激发激光系统使用电磁诱导透明装置对第二激光发射装置锁频，电磁诱导透明装置无外腔，抗外界振动能力强。
附图说明
图1是一实施例中原子里德堡态激发全光纤激光系统的结构图。
图2是另一实施例中原子里德堡态激发全光纤激光系统的结构图。
图3是一实施例中铯原子的饱和吸收光谱图。
图4是一实施例中铯原子里德堡EIT制备示意图。
图5是一实施例中EIT光谱图。
图6是一实施例中饱和吸收光谱装置光路示意图。
附图标号说明：
第二种子源131、第二光纤放大器132、第二倍频装置140、电磁诱导透明装置150、光纤合束器160。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第
传统技术中对于133Cs铯原子，通常利用852nm激光和509nm激光的双光子激发方案实现原子里德堡态制备。852nm激光由标准外腔反馈式激光器发射，功率百毫瓦，线宽为MHz。对于509nm激光，通用方案是利用1018nm半导体激光器作为种子源，利用TA(锥形放大器)放大基频光功率至2W左右，再利用腔内倍频方案获得509nm激光，在此基础上，利用超稳腔的边带锁频技术实现509nm激光频率锁定。
以德国Toptica公司的产品为例。Toptica公司生产的852nm外腔式光栅反馈半导体激光器(External Cavity Diode Laser，ECDL)，耦合进光纤出光功率约为50mW，自由运转线宽约为MHz。1018nm外置光栅的外腔式半导体激光器典型线宽为MHz量级，输出功率数百毫瓦，经过锥形放大器之后功率为2W左右，再经过倍频腔得到509nm激光，耦合进光纤之后功率约400mW。申请人研究发现外腔式半导体激光系统的线宽在MHz左右，振动敏感。特别是509nm激光的制备过程由于倍频器引入，对振动非常敏感，因此使用半导体激光器实现的原子里德堡态激发激光系统脱离实验室运行较为困难。
随着光纤激光器和光纤放大器技术的发展，已有丹麦的NKT photonics，美国OEwaves公司，法国MUQUANS公司，法国ALS(Azur Light System)公司等公司推出窄线宽光纤激光器。但窄线宽光纤激光器典型工作波长为S波段(1460nm-1530nm)、C波段(1530-1565nm)和L波段(1565-1625nm)。受限于工作方式和增益介质类型，1018nm和1704nm波长已超出常规光纤激光器工作区域，目前国内外并无公开报道的激光器产品。
现有的采用窄线宽光纤激光器实现的原子里德堡态激发激光系统主要包括大、和频过程获得638nm高功率激光。基于四镜环形腔腔内倍频实现激光638nm到319nm的频率转换。同时利用852nm光栅外腔式半导体激光器作为探测光源。852nm和319nm激光后续利用光学超稳腔作为频率标准，实现激光频率锁定。基于该方案的原子里德堡态激发激光系统可以获得kHz量级的激光线宽，后续单步激发实现铯原子P轨道角动量的里德堡态激发。但上述原子里德堡态激发激光系统较为复杂，造价较高，需要实验室环境运行。
另一种方案是半导体技术，主要技术方案代表是德国的Toptica公司生产的TA-SHG110激光系统。TA-SHG110激光系统利用1018nm光栅外腔式半导体激光器作为种子源，经锥形放大器放大功率至2W，再经过倍频腔得到509nm激光。该509nm激光输出功率为400mW，激光线宽为MHz量级。基于光栅外腔式半导体激光器获得852nm激光。852nm激光和509nm激光频率锁定依赖放置于真空系统的超稳腔。这种方案技术复杂、系统庞大、仅限于实验室运行，同时价格昂贵。
申请人研究发现上述两种原子里德堡态激发激光系统由于倍频腔和超稳腔系统的使用，易受外部振动或其他机械扰动，体积庞大，结构复杂，抗环境扰动能力差。
参见图1，本申请实施例提供一种原子里德堡态激发激光系统10。所述原子里德堡态激发激光系统10包括第一激光发射装置100、第一倍频装置110、锁频装置120、第二激光发射装置130、第二倍频装置140、电磁诱导透明装置150和光纤合束器160。所述第一倍频装置110与所述第一激光发射装置100连接。所述锁频装置120与所述第一倍频装置110和所述第一激光发射装置100光发射装置130连接。所述光纤合束器160与所述第一倍频装置110和所述第二倍频装置140连接。
所述第一激光发射装置100通过光纤与所述第一倍频装置110连接。所述锁频装置120与所述第一激光发射装置100电连接。所述第二激光发射装置130通过光纤与所述第二倍频装置140连接。所述电磁诱导透明装置150与所述第二激光发射装置130电连接。
本申请实施例提供的所述原子里德堡态激发方法及激光系统，利用第一激光发射装置和第二激光发射装置出射激光，经过倍频装置，最终产生用作激发原子里德堡态的探测光和耦合光，经光纤合束器合束输出激发原子里德堡光谱。所述原子里德堡态激发激光系统使用无腔体的电磁诱导透明装置对第二激光发射装置锁频，抗外界振动能力强。
参见图2，在一个实施例中，所述第一激光发射装置100包括第一种子源101和第一光纤放大器102。所述第一种子源101用于出射第一激光。所述第一光纤放大器102与所述第一种子源101连接。所述第一光纤放大器102用于放大所述第一激光的功率。所述第一种子源101通过光纤连接输入所述第一光纤放大器102。所述第一光纤放大器102通过光纤连接输入所述第一倍频装置110。所述第一激光经所述第一光纤放大器102放大后功率可以为2W。
在一个实施例中，所述第二激光发射装置130包括第二种子源131和第二光纤放大器132。所述第二种子源131用于出射第二激光。所述第二光纤放大器132与所述第二种子源131连接。所述第二光纤放大器132用于放大所述第二激光的功率。所述第二种子源131通过光纤连接输入所述第二光纤放大器132。所述第光纤激光器利用光纤集成光栅构成选模腔体，光纤激光器的典型线宽为kHz量级，光纤结构对机械振动等不敏感。
在一个实施例中，所述第一激光波长为1704nm。在一个实施例中，所述第二激光波长为1018nm。通过掺铒、掺镱等稀土元素的光纤技术可以拓展光纤激光器的工作波段，获得1018nm和1704nm的窄线宽光纤激光器。
在一个实施例中，所述第一倍频装置110和所述第二倍频装置140为全光纤波导型倍频器(Second Harmonic Generation，SHG)。所述第一倍频装置110和所述第二倍频装置140通过采用光纤集成的倍频晶体实现功率激光波长转换，通过对倍频晶体的温度控制可以实现大功率的倍频光(温度匹配时激光的转换效率高)。全光纤波导型倍频器相比于传统半导体激光器实现原子里德堡态方案中采用的倍频腔，抗外界振动能力强。
所述第一种子源101出射1704nm的所述第一激光。所述第一激光进入所述第一光纤放大器102功率放大至2W后，所述第一激光进入所述第一倍频装置110实现二次谐波倍频。所述第一激光经过二次谐波倍频之后，波长改变为852nm，线宽增加一倍。通过对倍频晶体温度调谐可以匹配所述第一激光的波长连续调谐范围0.6nm。所述第一激光进入所述第一倍频装置获得的第一倍频光波长为852nm，功率大于200mW，线宽小于20kHz，波长连续调谐范围大于0.3nm。
所述第二种子源131出射1018nm的所述第二激光。所述第二激光传输进入所述第二光纤放大器132进行功率放大后，所述第二激光传输进入所述第二倍频装置140实现二次谐波倍频获得第二倍频光。所述第二倍频光波长为509nm频光，功率大于500mW，线宽小于20kHz，波长连续调谐范围大于0.3nm。述第一倍频光和所述第二倍频光满足kHz窄线宽，约900mW大功率，具有优质光场空间模式，近标准高斯光束的优点。所述原子里德堡态激发激光系统10为无腔倍频系统，集成度高且机械振动不敏感。所述原子里德堡态激发激光系统10基于光纤器件的模块化设计，允许功能扩展和系统集成，可以在户外环境运行，兼顾高性能和高稳定运行。
在一个实施例中，所述锁频装置120包括饱和吸收光谱稳频装置。所述锁频装置120还可以包括伺服装置。所述饱和吸收光谱稳频装置与所述第一倍频装置110连接。所述饱和吸收光谱稳频装置与所述伺服装置连接。所述伺服装置与所述第一激光发射装置100连接。所述第一倍频光进入所述饱和吸收光谱稳频装置，利用饱和吸收光谱(saturatedabsorption spectroscopy，SAS)原理将852nm的所述第一倍频光频率锁定在原子超精细能级上。所述饱和吸收光谱稳频装置利用原子激光光谱提供绝对频率标准，所述伺服装置提供反馈信号对所述第一种子源101的电流、温度等参数进行反馈控制实现所述第一激光/第一倍频光频率稳定。
参见图6，所述饱和吸收光谱稳频装置可以包括半波片121、偏振分光棱镜122、原子气室123、反光镜124和光电探测器125。所述第一倍频光在所述半波片121和所述偏振分光棱镜122的作用下分成两束光，通过旋转所述半波片121的角度可以调整两束光的光强比。光强较强的为泵浦光，光强较弱的为探测光。以133Cs铯原子为例，当泵浦光与探测光反向共线进入铯原子气室时，泵浦光将基态电子打到激发态，基态上电子消失，基态上不再有电子吸收探测光，此时饱和吸收峰出现。参见图3的133Cs铯原子饱和吸收光谱(saturatedabsorption在饱和吸收光谱附近相对于中心频率的相对频率。纵坐标单位为任意单位a.u.，可以为通过所述光电探测器125获得的电压值，也可以是透射率，或者电流值等。
铯原子中存在6个饱和吸收峰，可以选定图3中的饱和吸收峰作为锁频的原子超精细能级。所述光电探测器125将光信号转变为电信号后传输进入所述伺服装置，外加一个调制频率，利用调制解调技术，获得鉴频曲线。再利用外部PID(比例积分微分)对所述第一种子源101的电流、温度等参数进行反馈控制从而进行锁定所述第一激光的频率。所述伺服装置可以包括差分探测器，锁相放大器，比例积分放大器，示波器，三角波信号发生器，正弦波信号发生器，加法器，高压放大器等。锁定后的所述第一倍频光波长可以为852.358nm。在另一个实施例中，所述锁频装置120还可以包括高性能的波长计和所述伺服装置。
所述第二倍频光和所述第一倍频光一起传输进入所述电磁诱导透明装置150。所述电磁诱导透明装置150可以包括铯原子气室。当852nm所述第一倍频光和509nm所述第二倍频光同时以反向共线的方式进入铯原子气室时可以将铯原子激发至里德堡态，形成电磁诱导透明(Electromagnetically Induced Transparency，EIT)光谱，也可以称为里德堡光谱。通过EIT光谱可以实现对所述第二种子源131的频率锁定。参见图4和图5，所述第一倍频光作为探测激光，所述第二倍频光作为耦合激光。852nm的所述第一倍频光锁定之后，扫描所述第二倍频光509nm频率，如果正好509nm的所述第二倍频光和铯原子的能级相匹配即可得到里德堡光谱。令恰好匹配的频率失谐点为0，即图5中中心频率为0，横坐标频率失谐为在里德堡光谱附近相对于中心频率的相对频率。纵坐标单位为任意单位a.u.，可以为电压值，也可以是透射率，或者电流值等。
户可以根据里德堡光谱(EIT光谱)开展用户各种测试实验，比如测量外部的微波电场，或其他电场传感等实验。对于铷原子，可以采用480nm和780nm两束激光实现里德堡光谱(EIT光谱)。
在一个实施例中，原子里德堡态激发激光系统10还可以包括功率稳定器。所述功率稳定器在所述第一种子源101和所述第二种子源131外部，使所述第一激光和所述第二激光经过所述功率稳定器的前后窗口，起到稳定功率作用。
在一个实施例中，如果852nm或509nm光纤激光器可以满足频率长期稳定(激光锁定在原子光谱线上，约为MHz)，功率达标(852nm激光功率约为1mW、509nm激光功率约为100mW)，线宽较窄(小于20kHz)的要求，可以直接使用852nm或509nm光纤激光器代替所述第一激光发射装置100、所述第一倍频装置110、所述第二激光发射装置130和所述第二倍频装置140。
本申请实施例所述的原子里德堡态激发激光系统10利用所述第一种子源101、所述第一光纤放大器102、所述第一倍频装置110、所述第二种子源131、所述第二光纤放大器132和所述第二倍频装置140共同组成了1704nm和1018nm光纤激光器，通过光纤集成技术实现种子源-放大器-倍频器的小型化封装。所述原子里德堡态激发激光系统10基于全光纤激光器方案、全光纤的功率放大方案、全光纤的激光波长转化方案，线宽指标比外腔式光栅反馈半导体激光器ECDL方案优2-3个数量级，功率指标比ECDL方案提高1倍以上。所述原子里德堡态激发激光系统10基于光纤技术模块化设计子系统，允许功能扩展和集成，基于光纤集成的整体系统，结构简单，抗外界扰动能力强。
一种原子里德堡态激发的方法，应用于上述任一实施例所述的原子里德堡光发射装置130出射所述第二激光。
S200，所述第一激光进入所述第一倍频装置110实现二次谐波倍频得到第一倍频光，所述第二激光进入所述第二倍频装置140实现二次谐波倍频得到第二倍频光。
S300，所述第一倍频光进入所述锁频装置120后对所述第一激光发射装置100进行频率锁定，所述第一倍频光与所述第二倍频光进入所述电磁诱导透明装置150对所述第二激光发射装置130进行频率锁定。
S400，所述第一倍频光与所述第二倍频光进入所述光纤合束器160合束输出。
在所述S100中，所述第一激光发射装置100包括第一种子源101和第一光纤放大器102。所述第一种子源101出射波长为1704nm的第一激光。所述第一激光进入所述第一光纤放大器102进行功率放大。所述第二激光发射装置130包括第二种子源131和第二光纤放大器132。所述第二种子源131出射波长为1018nm的第二激光。所述第二激光进入所述第二光纤放大器132进行功率放大。
在所述S200中，功率放大后的所述第一激光进入所述第一倍频装置110实现二次谐波倍频得到所述第一倍频光。所述第一倍频光波长为852nm，功率大于200mW，线宽小于20kHz，波长连续调谐范围大于100GHz。功率放大后的所述第二激光传输进入所述第二倍频装置140实现二次谐波倍频获得所述第二倍频光。所述第二倍频光波长为509nm频光，功率大于500mW，线宽小于20kHz，波长连续调谐范围大于100GHz。
在所述S300中，所述锁频装置120可以包括饱和吸收光谱稳频装置。所述852.358nm。所述第一倍频光锁定之后，所述第二倍频光和所述第一倍频光一起传输进入所述电磁诱导透明装置150将铯原子激发至里德堡态，形成电磁诱导透明(Electromagnetically Induced Transparency，EIT)光谱，也可以称为里德堡光谱。通过里德堡光谱可以实现对所述第二种子源131的频率锁定。
在所述S400中，锁频后的852nm的所述第一倍频光和509nm的所述第二倍频光经过所述光纤合束器160输出，用于激发其他的铯原子气室获得里德堡光谱(EIT光谱)。用户可以根据里德堡光谱(EIT光谱)开展用户各种测试实验，比如测量外部的微波电场，或其他电场传感等实验。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种原子里德堡态激发激光系统，其特征在于，包括：
第一激光发射装置(100)；
第一倍频装置(110)，与所述第一激光发射装置(100)连接；
锁频装置(120)，与所述第一倍频装置(110)和所述第一激光发射装置(100)连接；
第二激光发射装置(130)；
第二倍频装置(140)，与所述第二激光发射装置(130)连接；
电磁诱导透明装置(150)，与所述第一倍频装置(110)、所述第二倍频装置(140)和所述第二激光发射装置(130)连接；
光纤合束器(160)，与所述第一倍频装置(110)和所述第二倍频装置(140)连接。
2.如权利要求1所述的原子里德堡态激发激光系统，其特征在于，所述第一激光发射装置(100)包括：
第一种子源(101)，用于出射第一激光；
第一光纤放大器(102)，与所述第一种子源(101)连接，用于放大所述第一激光的功率。
3.如权利要求2所述的原子里德堡态激发激光系统，其特征在于，所述第二激光发射装置(130)包括：
第二种子源(131)，用于出射第二激光；
第二光纤放大器(132)，与所述第二种子源(131)连接，用于放大所述第二激光的功率。
4.如权利要求3所述的原子里德堡态激发激光系统，其特征在于，所述第一种子源(101)和所述第二种子源(131)为光纤激光器。
5.如权利要求4所述的原子里德堡态激发激光系统，其特征在于，所述第一激光波长为1704nm。
6.如权利要求5所述的原子里德堡态激发激光系统，其特征在于，所述第二激光波长为1018nm。
7.如权利要求6所述的原子里德堡态激发激光系统，其特征在于，所述第一倍频装置(110)和所述第二倍频装置(140)为全光纤波导型倍频器。
8.如权利要求7所述的原子里德堡态激发激光系统，其特征在于，所述锁频装置(120)包括饱和吸收光谱稳频装置。
9.如权利要求7所述的原子里德堡态激发激光系统，其特征在于，所述锁频装置(120)包括波长计。
10.一种原子里德堡态激发方法，其特征在于，应用于权利要求1-9任一项所述的原子里德堡态激发激光系统(10)，所述方法包括：
控制所述第一激光发射装置(100)出射所述第一激光，以及所述第二激光发射装置(130)出射所述第二激光；
所述第一激光进入所述第一倍频装置(110)实现二次谐波倍频得到第一倍频光，所述第二激光进入所述第二倍频装置(140)实现二次谐波倍频得到第二倍频光；
所述第一倍频光进入所述锁频装置(120)后对所述第一激光发射装置(100)进行频率锁定，所述第一倍频光与所述第二倍频光进入所述电磁诱导透明装置(150)对所述第二激光发射装置(130)进行频率锁定；
所述第一倍频光与所述第二倍频光进入所述光纤合束器(160)合束输出。
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