CN114114678B - 一种实现光学互易-非互易传输调控的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种实现光学互易‑非互易传输调控的装置及方法，以解决现有光学传输系统只能实现单一互易或非互易传输的技术问题。采用一种实现光学互易‑非互易传输调控的装置，将两束频率、偏振完全相同的探测光共线对向穿过内嵌有原子汽室的三镜环形腔；将另外两束偏振与探测光垂直、频率可调谐的耦合光对向共线单次穿过环形腔内的原子汽室；当探测光和耦合光频率满足双光子共振跃迁条件时，通过调谐两束耦合光之间的频率差大小，改变对向入射的两束探测光的传输特性，从而实现探测光的光学互易‑非互易传输调控功能。该装置及方法可实现探测光双向双频道的互易‑非互易传输调控，装置具有结构简单，易于小型化集成化的优点。

Description

一种实现光学互易-非互易传输调控的装置及方法

技术领域

本发明属于光调控技术领域，具体涉及一种实现光学互易-非互易传输调控的装置及方法。

背景技术

光学互易性主要是指光在空间传播的可逆性，即光在空间沿某一方向传播，同样也可以沿该方向反向传播。光学互易性也称为时间反演对称性，具有这样性质的系统称为互易光学系统。而光学非互易性就是打破这种时间反演对称性，即只允许光单向传输。基于这种对光信号的不可逆操作可制作现代光信息处理及量子通讯领域中非常重要的光量子器件。

现有技术中的光学非互易操控主要通过两种途径实现。第一种是磁光法拉第旋转效应，即当一束线偏振光通过磁光介质时，其偏振方向会随着平行于光线的磁场方向发生偏转。基于该原理，可实现光的单向传输，即光学非互易性。但该方法的缺点是需要较大体积的磁场，该磁场会影响其他光学器件及光学特性，不利于系统的小型化和集成化。另外一种途径是基于无磁材料的光学非互易性，如利用P-T对称的非线性光学、全同共振器的参量调制、光机相互作用、移动光子晶体以及光与原子相互作用等方法。其中光与原子相互作用的方法原理简单、对实验环境要求低、实验系统易于集成，但目前该方法只能实现单一的光学非互易操控，不能兼容光学互易性，功能相对单一。

发明内容

本发明为解决现有基于光与原子相互作用只能实现光学非互易性操控单一性的技术问题，提供一种实现光学互易-非互易传输调控的装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种实现光学互易-非互易传输调控的装置，包括原子-腔系统10、探测光分光系统21、第一信号探测系统39、第二信号探测系统43、耦合光分光系统35、第二导线44、第三导线45和数字存储示波器46，

所述原子-腔系统包括第一平面腔镜1、第二平面腔镜2、平凹腔镜3、环形压电陶瓷4、第一导线5、高压放大器6、第一偏振分光棱镜7、铯原子汽室8和第二偏振分光棱镜9，第一偏振分光棱镜、铯原子汽室和第二偏振分光棱镜顺次布置在第一平面腔镜和第二平面腔镜形成的光路上，第一平面腔镜和第二平面腔镜、第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜分别以铯原子汽室的中心左右对称布置，第一平面腔镜和第二平面腔镜的镜面与竖直方向的夹角为22.5°；平凹腔镜水平布置，第一平面腔镜、第二平面腔镜和平凹腔镜组成等腰三角形光路，环形压电陶瓷粘接在平凹腔镜的下表面，环形压电陶瓷通过第一导线与高压放大器连接；高压放大器输出电压给环形压电陶瓷，从而控制原子-腔系统的腔长变化；

所述探测光分光系统包括第一半导体激光器11、第一半波片12、第一光纤耦合系统13、透镜组14、第二半波片15、第三偏振分光棱镜16、第一45°反射镜17、第三半波片18、第二45°反射镜19和第三45°反射镜20，第一半导体激光器作为探测光光源，第一半波片、第一光纤耦合系统和透镜组顺次位于第一半导体激光器的出射光路上，第二半波片和第三偏振分光棱镜顺次位于透镜组-的透射光路上；经第三偏振分光棱镜反射的光作为第一束探测光，在第三偏振分光棱镜反射的光路上顺次设有第一45°反射镜、第三半波片和第二45°反射镜，经第三偏振分光棱镜透射的光作为第二束探测光，在第三偏振分光棱镜透射的光路上设有第三45°反射镜；

所述第一信号探测系统39包括处于第三45°反射镜反射光路上的第一50/50分束器36、第一50/50分束器反射光路反向延长线上的第一光电探测器37和第一50/50分束器透射光路上的第一光收集器38；

所述第二信号探测系统43包括处于第二45°反射镜反射光路上的第二50/50分束器40、第二50/50分束器反射光路反向延长线上的第二光电探测器41和第二50/50分束器40透射光路上的第二光收集器42；第一光电探测器和第二光电探测器是放大倍率相同的直流放大探测器，所探测的信号分别通过第二导线44和第三导线45输送到数字存储示波器46，数字存储示波器的触发信号由第一半导体激光器提供；

所述耦合光分光系统35包括作为耦合光光源的第二半导体激光器22、第四半波片23、第二光纤耦合系统24、准直透镜25、第五半波片26、第四偏振分光棱镜27、第一声光调制器28、第六半波片29、第四45°反射镜30、第五45°反射镜31、第二声光调制器32、第七半波片33和第六45°反射镜34，其中，第四半波片、第二光纤耦合系统和准直透镜顺次位于第二半导体激光器的出射光路上，第五半波片和第四偏振分光棱镜顺次设置在准直透镜的透射光路上；经第四偏振分光棱镜的透射光作为第一束耦合光，第一声光调制器、第六半波片和第四45°反射镜顺次设置在其透射光路上；经第四偏振分光棱镜反射的光作为第二束耦合光，其反射光路上顺次设有第五45°反射镜、第二声光调制器、第七半波片和第六45°反射镜；第四45°反射镜和第六45°反射镜分别与第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜平行，且第四45°反射镜和第六45°反射镜的反射光分别到达第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜的反射面；

所述原子-腔系统中的第一平面腔镜和第二平面腔镜的透射率均为1％；平凹腔镜为高反射镜，曲率半径为1000mm，反射率为99.99％；所述铯原子气室的两端端面镀光波波长为895.5nm的增透膜，以减少激光在玻璃表面的反射损耗；铯原子汽室的侧面裹有金属磁屏蔽箔和加热带，用于隔绝外界磁场的影响和控制铯原子汽室的温度；

所述第一光纤耦合系统将第一半导体激光器出射的激光光斑整形成零阶圆形厄米高斯光斑，并经透镜组，使探测光传播到铯原子汽室中心时，其横模束宽大小刚好等于原子-腔系统的本征腰斑，实现探测光在腔内腔模的完全匹配；第二光纤耦合系统将第二半导体激光器出射的激光光斑整形成零阶圆形厄米高斯光斑，并经准直透镜准直成平行光，使耦合光传播到铯原子汽室中心时，且其横模束宽大于原子-腔的本征腰斑。

一种实现光学互易-非互易传输调控的方法，采用一种实现光学互易-非互易传输调控的装置实现：将两束频率相同的探测光以水平偏振，分别通过第一平面腔镜和第二平面腔镜对向共线注入原子-腔系统，使其在腔内共振传输；将两束耦合光以垂直偏振，分别通过第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜反射，单次共线对向穿过铯原子汽室；当探测光和耦合光频率满足双光子共振跃迁条件时，通过调谐两束耦合光之间频率差的大小，改变两束探测光腔透射谱的传输特性，实现探测光的光学互易-非互易传输调控：当对向注入原子-腔系统的两束探测光以水平偏振入射时，其中第一束探测光顺次经第二45°反射镜和第二50/50分束镜反射后，从第一平面腔镜注入原子-腔系统，在腔内共振传播，经第二平面腔镜输出后，经第一50/50分束镜透射的光进入第一光电探测器探测，经第二50/50分束镜透射的第一束多余探测光进入第二光收集器；第二束探测光顺次经第三45°反射镜和第一50/50分束镜反射后，从第二平面腔镜反向注入原子-腔系统，在腔内共振传播，经第一平面腔镜反向输出后，经第二50/50分束镜透射的光进入第二光电探测器探测，经第一50/50分束镜透射的第二束多余的探测光进入第一光收集器；

当对向注入铯原子汽室的两束耦合光以垂直偏振入射时，其中第一束耦合光通过第一声光调制器移频后，通过第六半波片调为垂直偏振，顺次经第四45°反射镜和第一偏振分光棱镜反射后，进入铯原子汽室；第二束耦合光通过第二声光调制器移频后，通过第七半波片调为垂直偏振，顺次经第五45°反射镜和第二偏振分光棱镜反射后，反向进入铯原子汽室；

所述探测光和耦合光均采用波长为894.5nm、频率可连续调谐的光栅反馈半导体激光；探测光的频率作用于铯原子D1线基态6²S_1/2，Fg＝4至激发态6²P_1/2，Fe＝4的能级跃迁，耦合光的频率作用于铯原子D1线基态6²S_1/2，Fg＝3至激发态6²P_1/2，Fe＝4的能级跃迁，耦合光和探测光与铯原子作用形成Λ型三能级电磁诱导透明跃迁结构；

所述作用于铯原子汽室上的探测光和耦合光必须严格共线重合，且探测光的束宽小于耦合光的束宽。

本发明的有益效果是：

1、具有光学互易-非互易调控功能：即在双光子共振条件下，通过调节两束对向传输耦合光之间的频率差，实现对向两束探测光的光学互易和非互易传输特性的调控；

2、可实现探测光双向双频道的互易-非互易传输调控；

3、装置核心系统的结构简单紧凑，易于小型化集成化；

4、可推广至其他光与三能级原子相互作用的系统。

通过本发明可实现双向双频道的光学互易-非互易传输调控，该装置在多通道量子信息存储、量子逻辑门操控及全光控制等领域具有重要的应用价值。

附图说明

图1是本发明的原子-腔系统结构示意图；

图2是本发明一种实现光学互易-非互易传输调控的装置结构示意图；

图3是本发明探测光和耦合光分别作用铯原子D1线的能级跃迁示意图；

图4是本发明在两束耦合场频率差为0时，两束探测光的腔透射谱图；

图5是本发明在两束耦合场频率差为20MHz时，两束探测光的腔透射谱图；

图6是本发明在两束耦合场频率差为40MHz时，两束探测光的腔透射谱图；

图7是本发明两束探测光的腔透射双峰频率失谐随两束耦合光的频率差变化的变化趋势图。

图中：1-第一平面腔镜，2-第二平面腔镜，3-平凹腔镜，4-环形压电陶瓷，5-第一导线，6-高压放大器，7-第一偏振分光棱镜，8-铯原子汽室，9-第二偏振分光棱镜，10-原子-腔系统，11-第一半导体激光器，12-第一半波片，13-第一光纤耦合系统，14-透镜组，15-第二半波片，16-第三偏振分光棱镜，17-第一45°反射镜，18-第三半波片，19-第二45°反射镜，20-第三45°反射镜，21-探测光分光系统，22-第二半导体激光器，23-第四半波片，24-第二光纤耦合系统，25-准直透镜，26-第五半波片，27-第四偏振分光棱镜，28-第一声光调制器，29-第六半波片，30-第四45°反射镜，31-第五45°反射镜，32-第二声光调制器，33-第七半波片，34-第六45°反射镜，35-耦合光分光系统，36-第一50/50分束镜，37-第一光电探测器，38-第一光收集器，39-第一探测系统，40-第二50/50分束镜，41-第二光电探测器，42-第二光收集器，43-第二探测系统，44-第二导线，45-第三导线，46-数字存储示波器。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施作进一步详细说明：

如图1-2所示，一种实现光学互易-非互易传输调控的装置，包括原子-腔系统10、探测光分光系统21、第一信号探测系统39、第二信号探测系统43、耦合光分光系统35、第二导线44、第三导线45和数字存储示波器46，

所述原子-腔系统包括第一平面腔镜1、第二平面腔镜2、平凹腔镜3、环形压电陶瓷4、第一导线5、高压放大器6、第一偏振分光棱镜7、铯原子汽室8和第二偏振分光棱镜9，第一偏振分光棱镜、铯原子汽室和第二偏振分光棱镜顺次布置在第一平面腔镜和第二平面腔镜形成的光路上，第一平面腔镜和第二平面腔镜、第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜分别以铯原子汽室的中心左右对称布置，第一平面腔镜和第二平面腔镜的镜面与竖直方向的夹角为22.5°；平凹腔镜水平布置，第一平面腔镜、第二平面腔镜和平凹腔镜组成等腰三角形光路，环形压电陶瓷粘接在平凹腔镜的下表面，环形压电陶瓷通过第一导线与高压放大器连接；高压放大器输出电压给环形压电陶瓷，从而控制原子-腔系统的腔长变化；

所述探测光分光系统包括第一半导体激光器11、第一半波片12、第一光纤耦合系统13、透镜组14、第二半波片15、第三偏振分光棱镜16、第一45°反射镜17、第三半波片18、第二45°反射镜19和第三45°反射镜20，第一半导体激光器作为探测光光源，第一半波片、第一光纤耦合系统和透镜组顺次位于第一半导体激光器的出射光路上，第二半波片和第三偏振分光棱镜顺次位于透镜组的透射光路上；经第三偏振分光棱镜反射的光作为第一束探测光，在第三偏振分光棱镜反射的光路上顺次设有第一45°反射镜、第三半波片和第二45°反射镜，经第三偏振分光棱镜透射的光作为第二束探测光，在第三偏振分光棱镜透射的光路上设有第三45°反射镜；

所述第一信号探测系统39包括处于第三45°反射镜反射光路上的第一50/50分束器36、第一50/50分束器反射光路反向延长线上的第一光电探测器37和第一50/50分束器透射光路上的第一光收集器38；

所述第二信号探测系统43包括处于第二45°反射镜反射光路上的第二50/50分束器40、第二50/50分束器反射光路反向延长线上的第二光电探测器41和第二50/50分束器40透射光路上的第二光收集器42；第一光电探测器和第二光电探测器是放大倍率相同的直流放大探测器，所探测的信号分别通过第二导线44和第三导线45输送到数字存储示波器46，数字存储示波器的触发信号由第一半导体激光器提供；

所述耦合光分光系统35包括作为耦合光光源的第二半导体激光器22，第四半波片23、第二光纤耦合系统24、准直透镜25、第五半波片26、第四偏振分光棱镜27、第一声光调制器28、第六半波片29、第四45°反射镜30、第五45°反射镜31、第二声光调制器32、第七半波片33和第六45°反射镜34，其中，第四半波片、第二光纤耦合系统和准直透镜顺次位于第二半导体激光器的出射光路上，第五半波片和第四偏振分光棱镜顺次设置在准直透镜的透射光路上；经第四偏振分光棱镜的透射光作为第一束耦合光，第一声光调制器、第六半波片和第四45°反射镜顺次设置在其透射光路上；经第四偏振分光棱镜反射的光作为第二束耦合光，其反射光路上顺次设有第五45°反射镜、第二声光调制器、第七半波片和第六45°反射镜；第四45°反射镜和第六45°反射镜分别与第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜平行，且第四45°反射镜和第六45°反射镜的反射光分别到达第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜的反射面；

所述原子-腔系统中的第一平面腔镜和第二平面腔镜的透射率均为1％；平凹腔镜为高反射镜，曲率半径为1000mm，反射率为99.99％；所述铯原子气室的两端端面镀光波波长为895.5nm的增透膜，以减少激光在玻璃表面的反射损耗；铯原子汽室的侧面裹有金属磁屏蔽箔和加热带，用于隔绝外界磁场的影响和控制铯原子汽室的温度；

所述第一光纤耦合系统将第一半导体激光器出射的激光光斑整形成零阶圆形厄米高斯光斑，并经透镜组，使探测光传播到铯原子汽室中心时，其横模束宽大小刚好等于原子-腔系统的本征腰斑，实现探测光在腔内腔模的完全匹配；第二光纤耦合系统将第二半导体激光器出射的激光光斑整形成零阶圆形厄米高斯光斑，并经准直透镜准直成平行光，使耦合光传播到铯原子汽室中心时，且其横模束宽大于原子-腔的本征腰斑。

一种实现光学互易-非互易传输调控的方法，是采用一种实现光学互易-非互易传输调控的装置实现：将两束频率相同的探测光以水平偏振，分别通过第一平面腔镜和第二平面腔镜对向共线注入原子-腔系统，使其在腔内共振传输；将两束耦合光以垂直偏振，分别通过第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜反射，单次共线对向穿过铯原子汽室；当探测光和耦合光频率满足双光子共振跃迁条件时，通过调谐两束耦合光之间频率差的大小，改变两束探测光腔透射谱的传输特性，实现探测光的光学互易-非互易传输调控：当对向注入原子-腔系统的两束探测光以水平偏振入射时，其中第一束探测光顺次经第二45°反射镜和第二50/50分束镜反射后，从第一平面腔镜注入原子-腔系统，在腔内共振传播，经第二平面腔镜输出后，并经第一50/50分束镜透射的光进入第一光电探测器探测，经第二50/50分束镜透射的第一束多余探测光进入第二光收集器；第二束探测光顺次经第三45°反射镜和第一50/50分束镜反射后，从第二平面腔镜反向注入原子-腔系统，在腔内共振传播，经第一平面腔镜反向输出后，经第二50/50分束镜透射的光进入第二光电探测器探测，经第一50/50分束镜透射的第二束多余的探测光进入第一光收集器；

当对向注入铯原子汽室的两束耦合光以垂直偏振入射时，其中第一束耦合光通过第一声光调制器移频后，通过第六半波片调为垂直偏振，顺次经第四45°反射镜和第一偏振分光棱镜反射后，进入铯原子汽室；第二束耦合光通过第二声光调制器移频后，通过第七半波片调为垂直偏振，顺次经第五45°反射镜和第二偏振分光棱镜反射后，反向进入铯原子汽室；

所述探测光和耦合光均采用波长为894.5nm、频率可连续调谐的光栅反馈半导体激光；探测光的频率作用于铯原子D1线基态Fg＝4至激发态Fe＝4的能级跃迁，耦合光的频率作用于铯原子D1线基态Fg＝3至激发态Fe＝4的能级跃迁，耦合光和探测光与铯原子作用形成Λ型三能级电磁诱导透明跃迁结构；

所述作用于铯原子汽室上的探测光和耦合光必须严格共线重合，且探测光的束宽小于耦合光的束宽。

实施例1

如图1所示，原子-腔系统的第一平面腔镜1和第二平面腔镜2的透射率均为1％，平凹腔镜3的曲率半径为1000mm，反射率为99.99％；原子-腔系统的总腔长控制在490mm-510mm，原子-腔系统的本征腰斑处于铯原子汽室的中心，腰斑大小为0.375-0.379mm。

将两束频率相同的探测光以水平偏振，分别通过第一平面腔镜1和第二平面腔镜2对向共线注入原子-腔系统10，在腔内共振传输；将两束耦合光以垂直偏振，分别通过第一偏振分光棱镜7和第二偏振分光棱镜9反射，单次共线对向穿过铯原子汽室8；当探测光和耦合光频率满足双光子共振跃迁条件时，通过调谐两束耦合光之间的频率差大小，可改变两束探测光的腔透射谱的传输特性，从而实现探测光的光学互易-非互易传输调控功能。

第一光纤耦合系统13将第一半导体激光器11出射的激光光斑整形成零阶圆形厄米高斯光斑，并经透镜组14，使探测光传播到铯原子汽室8中心时，其横模束宽大小刚好匹配原子-腔系统10的本征腰斑。

透镜组14包括两块焦距为100mm的平凸透镜，经透镜组14透射光路上顺次设有第二半波片15和第三偏振分光棱镜16；经第三偏振分光棱镜16反射的光作为第一束探测光，顺次经过第一45°反射镜17反射，再穿过第三半波片18，旋转第三半波片18的光轴，将第一束探测光调为水平偏振；再顺次经第二45°反射镜19和第二50/50分束镜40反射后，从第一平面腔镜1注入原子-腔系统10，在腔内共振传播，其腔透射谱经第二平面腔镜2输出后，经第一50/50分束镜36透射的光进入第一光电探测器37探测，经第二50/50分束镜40透射的多余的第一束探测光进入第一光收集器42收集；经第三偏振分光棱镜16透射的光作为第二束探测光，顺次经第三45°反射镜20和第一50/50分束镜36反射后，从第二平面腔镜2注入原子-腔系统10，在腔内共振传播，其腔透射谱经第一平面腔镜1反向输出后，经第二50/50分束镜40反向透射的光进入第二光电探测器41探测，经第一50/50分束镜36透射的第二束多余的探测光进入第二光收集器38收集；通过调节第二半波片5，使两束探测光进入原子-腔系统前的注入功率均为1mW。

耦合光分光系统35，包括第二半导体激光器22，第二半导体激光器22的出射光路上顺次设有第四半波片23和第二光纤耦合系统24，第二光纤耦合系统24将第二半导体激光器22出射的激光光斑整形成零阶圆形厄米高斯光斑，并经准直透镜25准直成平行光，使其横模束宽大于原子-腔的本征腰斑；准直透镜25的焦距为600mm，准直后的耦合光束宽为0.6mm；经准直透镜25准直的光路上顺次设有第五半波片26和第四偏振分光棱镜27；经第四偏振分光棱镜27透射的光作为第一束耦合光，其透射的光路上顺次设有第一声光调制器28、第六半波片29和第四45°反射镜30，第一束耦合光通过第一声光调制器28移频后，通过第六半波片29调为垂直偏振，然后顺次经第四45°反射镜30和第一偏振分光棱镜7反射后，进入铯原子汽室8；经第四偏振分光棱镜27反射的光作为第二束耦合光，经第五45°反射镜31反射后，顺次通过第二声光调制器32移频，并通过第七半波片33调为垂直偏振，顺次经第六45°反射镜34和第二偏振分光棱镜9反射后，反向进入铯原子汽室8；本实例中要保证处于铯原子汽室8中的探测光和耦合光必须共线重合；通过调节第五半波片26，使得两束耦合光进入铯原子汽室8时的功率分别为15mW。

所述第一信号探测系统39中第一光电探测器37和第二光电探测器41均为性能参数相同的直流探测器。

铯原子汽室8的长度为75mm，两端端面镀895.5nm光波波长的增透膜，以减少激光在玻璃表面的反射损耗；铯原子汽室8的侧面裹有金属磁屏蔽箔和加热带，用于隔绝外界磁场的影响和控制铯原子汽室8的温度，铯原子汽室8的温度为30摄氏度。

探测光与耦合光分别作用于铯原子能级跃迁情况见图3。根据图2所述，探测光来自第一半导体激光器11，所以第一束探测光频率ω_p1和第二束探测光频率ω_p2相同，即ω_p1＝ω_p2＝ω_p，均作用于铯原子D1线基态6²S_1/2，F_g＝4至激发态6²P_1/2，F_e＝4的共振中心附近扫描，两束探测光相对原子共振中心的频率失谐为Δ_p，Δ_p＝ω_p-ω₄₄，ω₄₄为铯原子能级F_g＝4到F_e＝4的跃迁频率；第一束耦合光频率ω_c1＝ω_c+δ₁，为第二半导体激光器22出射的光ω_c经第一声光移频器28移频δ₁后的频率，第二束耦合光频率ω_c2＝ω_c+δ₂，为第二半导体激光器22出射的光ω_c经第二声光移频器32移频δ₂后的频率，两束耦合光的频率作用在铯原子D1线基态6²S_1/2，F_g＝3至激发态6²P_1/2，F_e＝4的能级跃迁附近，第一束耦合光相对原子共振中心的频率失谐为Δ_c1，Δ_c1＝ω_c1-ω₃₄，第二束耦合光相对原子共振中心的频率失谐为Δ_c2，Δ_c2＝ω_c2-ω₃₄，ω₃₄为铯原子能级F_g＝3到F_e＝4的跃迁频率；两束耦合光之间的频率差为δ＝ω_c1-ω_c2＝Δ_c1-Δ_c2＝δ₁-δ₂，信号光和耦合光作用在铯原子能级上，形成了Λ型三能级跃迁结构。

两束耦合光的频率差δ＝0时的探测光腔透射谱图如图4所示。图中：(1)T_p1为第一束探测光穿过原子-腔系统后的腔透射谱；(2)T_p2为第二束探测光穿过原子-腔系统后的腔透射谱；探测光频率在铯原子D1线基态6²S_1/2，F_g＝4至激发态6²P_1/2，F_e＝4的能级跃迁中心附近扫描；耦合光频率锁定在铯原子D1线基态6²S_1/2，F_g＝3至激发态6²P_1/2，F_e＝4的能级跃迁中心，即Δ_c1＝0；从图中可以看出，在两束对向传输的耦合光作用下，探测光的腔透射谱在原子共振中心附近均呈现两个透射峰，称为双暗态极子峰；两束探测光的双暗态极子峰的频率位置重合，左侧极子峰和右侧极子峰分别出现在Δ_p＝-20MHz和Δ_p＝20MHz处；由于两束探测光是共线对向传播的，说明当δ＝0时，在Δ_p＝±20MHz这两个频率位置，原子-腔系统对探测光表现出光学互易性，即探测光无论是正向还是反向传播，均可穿过原子-腔系统，光路是可逆的，从而实现了双频道互易传输。

在图4的基础上，改变两束耦合光的频率差为δ＝20MHz时的探测光腔透射谱图如图5所示。图中：两束探测光的双暗态极子峰的频率位置发生错位，第一束探测光的左极子峰和右极子峰分别出现在Δ_p＝-18MHz和Δ_p＝22MHz处，而第二束探测光的左极子峰和右极子峰分别出现在Δ_p＝-36MHz和Δ_p＝4MHz处；这说明当δ＝20MHz时，原子-腔系统对探测光表现出光学非互易性，即在第一束探测光的双暗态极子峰透射的频率位置，第二束探测光的透射均为0，光路不可逆，反之亦然；从而实现四频道双向非互易传输。

在图5的基础上，改变两束耦合光的频率差为δ＝40MHz时的探测光腔透射谱图如图6所示。图中：第一束探测光的左极子峰和右极子峰分别出现在Δ_p＝-5MHz和Δ_p＝35MHz处，而第二束探测光的左极子峰和右极子峰分别出现在Δ_p＝-45MHz和Δ_p＝-5MHz处；发现第一束探测光的左极子峰与第二束探测光的右极子峰频率重叠；这说明当δ＝40MHz时，原子-腔系统对探测光表现出部分光学非互易性，即在第一束探测光的右极子峰频率位置和第二束探测光左极子峰频率位置，原子-腔系统对探测光表现出光学非互易性，而第一束探测光的左极子峰和第二束探测光右极子峰频率位置重合，此时表现出光学互易性；从而实现三频道双向互易-非互易传输。

探测光双暗态极子峰的频率失谐随两束耦合光的频率差δ变化的变化趋势如图7所示。图中：实心方框代表第一束探测光左暗态极子峰频率失谐，空心方框代表第一束探测光右暗态极子峰频率失谐；实心圆圈代表第二束探测光左暗态极子峰频率失谐，空心圆圈代表第一束探测光右暗态极子峰频率失谐。由图7可知，随着两束耦合光的频率差δ的变化，两束探测光的双暗态极子峰的传输特性被分成四个区间：当δ＝0时，两束探测光的左暗态极子峰和右暗态极子峰的频率位置严格重合，表现为双频道互易传输；当0<δ<40MHz时，随着δ增大，两束探测光的左暗态极子峰和右暗态极子峰频率位置完全错位，且第二束探测光的右暗态极子峰逐渐向第一束探测光左暗态极子峰靠拢，此区间表现为四频道双向非互易传输；当δ＝40MHz时，第二束探测光的右暗态极子峰和第一束探测光左暗态极子峰频率重合，表现为单频道互易传输，而在第一束探测光右暗态极子峰和第二束探测光左暗态极子峰频率位置，表现为双频道非互易传输；当δ>40MHz时，两束探测光的左暗态极子峰和右暗态极子峰频率位置又完全错位，且随着δ继续增大，两束探测光的双暗态极子峰频率位置逐渐远离，又表现为四频道双向非互易传输。

本发明中两束耦合光之间的频率差是通过第一声光调制器28和第二声光调制器32来调节的，从而实现对两束对向传播探测光的双暗态极子峰的互易-非互易传输调控。当两束耦合光的频率差δ固定时，探测光双暗态峰的频率位置可通过调谐第二半导体激光器22，改变耦合光频率ω_c来实现。

本发明涉及的方法还可推广到光与其他碱金属(如铷、钠等)原子介质或量子点材料相互作用系统。通过本发明实现的对双向探测光的互易-非互易传输调控的装置及方法，在多通道量子信息存储、量子逻辑门操控及全光控制等领域具有重要的应用价值，且该装置易于集成化和小型化，可广泛应用于量子中继网络、量子计算、量子通讯的实用化技术领域中。

Claims (2)

1.一种实现光学互易-非互易传输调控的装置，其特征在于：包括原子-腔系统（10）、探测光分光系统（21）、第一信号探测系统（39）、第二信号探测系统（43）、耦合光分光系统（35）、第二导线（44）、第三导线（45）和数字存储示波器（46），

所述原子-腔系统包括第一平面腔镜（1）、第二平面腔镜（2）、平凹腔镜（3）、环形压电陶瓷（4）、第一导线（5）、高压放大器（6）、第一偏振分光棱镜（7）、铯原子汽室（8）和第二偏振分光棱镜（9），第一偏振分光棱镜、铯原子汽室和第二偏振分光棱镜顺次布置在第一平面腔镜和第二平面腔镜形成的光路上，第一平面腔镜和第二平面腔镜、第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜分别以铯原子汽室的中心左右对称布置，第一平面腔镜和第二平面腔镜的镜面与竖直方向的夹角为22.5º；平凹腔镜水平布置，第一平面腔镜、第二平面腔镜和平凹腔镜组成等腰三角形光路，环形压电陶瓷粘接在平凹腔镜的下表面，环形压电陶瓷通过第一导线与高压放大器连接；高压放大器输出电压给环形压电陶瓷，从而控制原子-腔系统的腔长变化；

所述探测光分光系统包括第一半导体激光器（11）、第一半波片（12）、第一光纤耦合系统（13）、透镜组（14）、第二半波片（15）、第三偏振分光棱镜（16）、第一45º反射镜（17）、第三半波片（18）、第二45º反射镜（19）和第三45º反射镜（20），第一半导体激光器作为探测光光源，第一半波片、第一光纤耦合系统和透镜组顺次位于第一半导体激光器的出射光路上，第二半波片和第三偏振分光棱镜顺次位于透镜组-的透射光路上；经第三偏振分光棱镜反射的光作为第一束探测光，在第三偏振分光棱镜反射的光路上顺次设有第一45º反射镜、第三半波片和第二45º反射镜，经第三偏振分光棱镜透射的光作为第二束探测光，在第三偏振分光棱镜透射的光路上设有第三45º反射镜；

所述第一信号探测系统（39）包括处于第三45º反射镜反射光路上的第一50/50分束器（36）、第一50/50分束器反射光路反向延长线上的第一光电探测器（37）和第一50/50分束器透射光路上的第一光收集器（38）；

所述第二信号探测系统（43）包括处于第二45º反射镜反射光路上的第二50/50分束器（40）、第二50/50分束器反射光路反向延长线上的第二光电探测器（41）和第二50/50分束器（40）透射光路上的第二光收集器（42）；第一光电探测器和第二光电探测器是放大倍率相同的直流放大探测器，所探测的信号分别通过第二导线（44）和第三导线（45）输送到数字存储示波器（46），数字存储示波器的触发信号由第一半导体激光器提供；

所述耦合光分光系统（35）包括作为耦合光光源的第二半导体激光器（22）、第四半波片（23）、第二光纤耦合系统（24）、准直透镜（25）、第五半波片（26）、第四偏振分光棱镜（27）、第一声光调制器（28）、第六半波片（29）、第四45º反射镜（30）、第五45º反射镜（31）、第二声光调制器（32）、第七半波片（33）和第六45º反射镜（34），其中，第四半波片、第二光纤耦合系统和准直透镜顺次位于第二半导体激光器的出射光路上，第五半波片和第四偏振分光棱镜顺次设置在准直透镜的透射光路上；经第四偏振分光棱镜的透射光作为第一束耦合光，第一声光调制器、第六半波片和第四45º反射镜顺次设置在其透射光路上；经第四偏振分光棱镜反射的光作为第二束耦合光，其反射光路上顺次设有第五45º反射镜、第二声光调制器、第七半波片和第六45º反射镜；第四45º反射镜和第六45º反射镜分别与第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜平行，且第四45º反射镜和第六45º反射镜的反射光分别到达第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜的反射面；

所述原子-腔系统中的第一平面腔镜和第二平面腔镜的透射率均为1%；平凹腔镜为高反射镜，曲率半径为1000mm，反射率为99.99%；所述铯原子汽室的两端端面镀光波波长为895.5nm 的增透膜，以减少激光在玻璃表面的反射损耗；铯原子汽室的侧面裹有金属磁屏蔽箔和加热带，用于隔绝外界磁场的影响和控制铯原子汽室的温度；

所述第一光纤耦合系统将第一半导体激光器出射的激光光斑整形成零阶圆形厄米高斯光斑，并经透镜组，使探测光传播到铯原子汽室中心时，其横模束宽大小刚好等于原子-腔系统的本征腰斑，实现探测光在腔内腔模的完全匹配；第二光纤耦合系统将第二半导体激光器出射的激光光斑整形成零阶圆形厄米高斯光斑，并经准直透镜准直成平行光，使耦合光传播到铯原子汽室中心时，且其横模束宽大于原子-腔的本征腰斑。

2.一种实现光学互易-非互易传输调控的方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的一种实现光学互易-非互易传输调控的装置实现：将两束频率相同的探测光以水平偏振，分别通过第一平面腔镜和第二平面腔镜对向共线注入原子-腔系统，使其在腔内共振传输；将两束耦合光以垂直偏振，分别通过第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜反射，单次共线对向穿过铯原子汽室；当探测光和耦合光频率满足双光子共振跃迁条件时，通过调谐两束耦合光之间频率差的大小，改变两束探测光腔透射谱的传输特性，实现探测光的光学互易-非互易传输调控：当对向注入原子-腔系统的两束探测光以水平偏振入射时，其中第一束探测光顺次经第二45º反射镜和第二50/50分束镜反射后，从第一平面腔镜注入原子-腔系统，在腔内共振传播，经第二平面腔镜输出后，经第一50/50分束镜透射的光进入第一光电探测器探测，经第二50/50分束镜透射的第一束多余探测光进入第二光收集器；第二束探测光顺次经第三45º反射镜和第一50/50分束镜反射后，从第二平面腔镜反向注入原子-腔系统，在腔内共振传播，经第一平面腔镜反向输出后，经第二50/50分束镜透射的光进入第二光电探测器探测，经第一50/50分束镜透射的第二束多余的探测光进入第一光收集器；

当对向注入铯原子汽室的两束耦合光以垂直偏振入射时，其中第一束耦合光通过第一声光调制器移频后，通过第六半波片调为垂直偏振，顺次经第四45º反射镜和第一偏振分光棱镜反射后，进入铯原子汽室；第二束耦合光通过第二声光调制器移频后，通过第七半波片调为垂直偏振，顺次经第五45º反射镜和第二偏振分光棱镜反射后，反向进入铯原子汽室；

所述探测光和耦合光均采用波长为 894.5nm、频率可连续调谐的光栅反馈半导体激光；探测光的频率作用于铯原子 D1 线基态6²S_1/2，Fg=4 至激发态6²P_1/2，Fe=4 的能级跃迁，耦合光的频率作用于铯原子 D1线基态6²S_1/2，Fg=3 至激发态6²P_1/2，Fe=4 的能级跃迁，耦合光和探测光与铯原子作用形成Λ型三能级电磁诱导透明跃迁结构；

作用于铯原子汽室上的探测光和耦合光必须严格共线重合，且探测光的束宽小于耦合光的束宽。