CN114325130A - 一种高效率光纤耦合原子气室探头及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及量子微波测量领域，具体涉及一种高效率光纤耦合原子气室探头及其制作方法，包括第一端口、第二端口、第三端口、原子气室、二向色镜，其中，第一端口为耦合光输入端口、第二端口分别为探测光输入端口，第三端口为探测光输出端口；本发明公开的高效率原子气室探头通过集成二向色镜，实现长波长的探测光输出端口和短波长的耦合光输入端口的光纤分离传输，且长波长的探测光与短波长的耦合光使用相应波长的渐变折射率透镜，克服了现有的光纤耦合原子气室探头效率不高的问题，对长波长的探测光具有较高的传输效率，该探头可广泛应用于可移动、便携式量子微波测量系统，支撑量子微波测量系统在通信、雷达等电子信息领域的应用。
Description
技术领域
本发明涉及量子微波测量领域，具体涉及一种高效率光纤耦合原子气室探头及其制作方法。
背景技术
基于里德堡原子的量子微波测量技术具有无扰动、可溯源、自校准的优点，在微波电场强度计量、射频接收等领域具有较大的应用潜力。目前，基于里德堡原子的量子微波测量系统主要是依托光学平台进行搭建，发展可移动、便携式的量子微波测量系统是一个重要的研究方向，其中，要突破的关键技术之一是光纤耦合原子气室探头。2018年，美国国家标准和技术研究所(Simons M T,Gordon J A,Holloway C L.Fiber-coupled vapor cellfor a portable Rydberg atom-based radio frequency electric field sensor[J].Applied Optics,2018,57(22):6456-6460.)公开了一种面向电场计的两端口光纤耦合原子气室探头，这种原子气室探头对长波长的探测光传输效率为17％，导致效率不高的原因是：1)长波长的探测光与短波长的耦合光共用一个光纤，造成探测光能量的损失；2)长波长的探测光与短波长的耦合光共用渐变折射率透镜，透镜对不同波长光的色散效应导致聚焦效果恶化。2020年，美国里德堡科技公司公开了一种面向电磁传感和测量的光纤耦合原子气室探头，该探头通过集成反射镜提高了紧凑性，但是探头仍然是使用短波长的耦合光传输长波长的探测光输出(Anderson D A,Raithel G A,Paradis E G,et al.Atom-basedelectromagnetic field sensing element and measurement system:U.S.Patent 10,823,775[P].2020-11-3.)，探测光的传输效率难以提高。业内迫切需要一种高效率的光纤耦合原子气室探头以支撑可移动、便携式量子微波测量系统的研制。
发明内容
本发明提供一种高效率光纤耦合原子气室探头及其制作方法，具有集成度高、传输效率高的优点。
本发明采用的技术方案为，一种高效率光纤耦合原子气室探头，用于基于里德堡原子的量子微波测量系统，包括第一端口1、第二端口2、第三端口3、原子气室4、二向色镜5，其中，第一端口1为耦合光输入端口、第二端口2分别为探测光输入端口，第三端口3为探测光输出端口；
原子气室4是封闭结构的玻璃器皿，用于填充碱金属原子气体，碱金属原子受激光照射后跃迁至里德堡态；通常采用的碱金属原子包括铯(Cs)或者铷(Rb)。采用铯(Cs)原子时，第一端口输入的耦合光波长为509～511nm，第二端口输入的探测光、第三端口输出的探测光波长均为850～852nm；采用铷(Rb)原子时，第一端口输入的耦合光波长为479～481nm，第二端口输入的探测光、第三端口输出的探测光波长均为779～781nm。
二向色镜5用于对探测光实现透射传输，对耦合光实现反射传输，即第一端口1输入的耦合光经过二向色镜5偏转90度后入射至原子气室4，第二端口2输入的探测光经过原子气室4、二向色镜5后入射至第三端口3输出，其中，在原子气室4中传输的耦合光光束、探测光光束处于同一直线上对向传输且二者光束具有一致的偏振方向。对于采用不同碱金属原子填充的原子气室，二向色镜5的工作波长应相应调整，例如，采用铯(Cs)原子时，二向色镜5的透射光波长为850～852nm，反射光波长是509～511nm；，采用铷(Rb)原子时，二向色镜5的透射光波长为779～781nm，反射光波长是479～481nm。
本发明还提供一种上述高效率光纤耦合原子气室探头的制作方法，分为以下步骤：
S1将第一激光器连接至第一端口，第二激光器连接至第二端口，光电探测器连接至第三端口，再与数字示波器相连；
S2第一激光器输出功率为p1的耦合光，且耦合光频率f1在区间[f1-Δf,f1+Δf]内扫描，光的频率与波长的转换满足公式：f1＝c/λ1，其中，c是真空中的光束，λ1是耦合光波长，Δf为扫频带宽；第二激光器输出功率为p2、波长为λ2的探测光；耦合光及探测光的波长选择由碱金属原子里德堡态的谐振能级所对应的拉比频率决定，对于采用不同碱金属原子填充的原子气室，耦合光及探测光的波长应相应调整，Δf的取值范围通常为10-200MHz，例如，探测光的频率用饱和吸收谱稳频法锁定于铯原子|6S1/2,(F＝4)>→|6P3/2,(F’＝5)>跃迁，此时，以Δf＝50MHz扫描耦合光频率得到EIT光谱；
S3调整第一端口、第二端口、第三端口的位置及二向色镜的位置：首先，启动第二激光器，调整第二端口、第三端口的光束准直输出端面的位置及二向色镜的位置，实现探测光从第二端口输入、第三端口输出；然后，启动第一激光器，调整第一端口的光束准直输出端面的位置，实现探测光光束和耦合光光束处于同一直线上对向传输；最后，旋转第一端口、第二端口、第三端口的光束准直输出端面，实现探测光光束和耦合光光束具有一致的偏振方向。
S4观察数字示波器显示输出的EIT光谱，以EIT光谱上透射峰的峰值出现最大值为目标，反复调整第一端口、第二端口、第三端口的光束准直输出端面的光束准直输出端面位置及二向色镜的位置，当EIT光谱的透射峰值出现最大值时，固定原子气室探头各组件之间的连接面(原子气室内部只存在探测光入射时，探测光被碱金属原子吸收；增加耦合光后，当探测光光束和耦合光光束处于同一直线上对向传输时，碱金属原子产生电磁诱导透明效应(EIT)，即碱金属原子对探测光呈现透明传输，探测光几乎无损耗地穿过原子气室，观察数字示波器看到EIT光谱。EIT光谱上透射峰的峰值取决于探测光光束和耦合光光束是否严格在同一直线上对向传输)。
进一步的，采用紫外固化光学胶粘合的方式固定原子气室探头各组件之间的连接面。
本发明的有益效果：
本发明公开的高效率光纤耦合原子气室探头通过集成二向色镜，实现长波长的探测光输出端口和短波长的耦合光输入端口的光纤分离传输，且长波长的探测光与短波长的耦合光使用相应波长的渐变折射率透镜，克服了现有的光纤耦合原子气室探头效率不高的问题，对长波长的探测光具有较高的传输效率，根据实施例的测试结果，长波长的探测光的传输效率达40％，显著优于现有的光纤耦合原子气室探头(17％)。该探头可广泛应用于可移动、便携式量子微波测量系统，支撑量子微波测量系统在通信、雷达等电子信息领域的应用。
附图说明
图1为本发明的一种高效率光纤耦合原子气室探头的组件结构及传输光路示意图；
图2为本发明的一种高效率光纤耦合原子气室探头的制作方法的设备连接示意图；
图3为本发明的一种高效率光纤耦合原子气室探头实物图；
图4为图3所示高效率光纤耦合原子气室探头的EIT光谱测试结果。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示，本发明提供了一种高效率光纤耦合原子气室探头，用于基于里德堡原子的量子微波测量系统，原子气室探头的组件包括第一端口1、第二端口2、第三端口3、原子气室4、二向色镜5，其中，第一端口1、第二端口2分别为耦合光、探测光输入端口，第三端口3为探测光输出端口。
原子气室4是填充有碱金属原子气体的玻璃器皿，通常采用的碱金属原子包括铯(Cs)或者铷(Rb)。采用铯(Cs)原子时，端口1输入的耦合光波长为509～511nm，端口2输入的探测光、端口3输出的探测光波长为850～852nm；采用铷(Rb)原子时，端口1输入的耦合光波长为479～481nm，端口2输入的探测光、端口3输出的探测光波长为779～781nm。
二向色镜5对探测光实现透射传输，对耦合光实现反射传输，即端口1输入的耦合光经过二向色镜5后偏转90度入射至原子气室4，端口2输入的探测光经过原子气室4、二向色镜5后入射至端口3输出，其中，在原子气室4中传输的耦合光光束、探测光光束处于同一直线上对向传输，光束传输光路示意图如图1中的带箭头虚线所示。
对于采用不同碱金属原子填充的原子气室，二向色镜5的工作波长应相应调整，例如，采用铯(Cs)原子时，二向色镜5的透射光波长为850～852nm，反射光波长是509～511nm；，采用铷(Rb)原子时，二向色镜5的透射光波长为779～781nm，反射光波长是479～481nm。
第一端口1、第二端口2、第三端口3所采用的光纤是具有光束准直输出功能的单模保偏光纤，更具体的，可采用渐变折射率(GRIN)透镜、套管和带尾纤的插芯这三个部件组装而成，连接这些部件时可使用紫外固化光学胶。原子气室4、二向色镜5以及三个端口的光束准直输出端面的相互接触面通过紫外固化光学胶粘合的方式连接固定。第一端口1和第二端口2输出的光束具有一致的偏振方向，即要求第一端口1和第二端口2的光束准直输出端面的快慢轴严格匹配。第一端口1、第二端口2、第三端口3所采用的光纤接头是FC/APC或FC/PC接头。对于采用不同碱金属原子填充的原子气室，应选用对应工作波长的部件。对于采用不同碱金属原子填充的原子气室，二向色镜5的工作波长应相应调整，例如，采用铯(Cs)原子时，第一端口1所采用光纤的GRIN透镜及尾纤的工作波长覆盖509～511nm，第二端口2、第三端口3所采用光纤的GRIN透镜及尾纤的工作波长覆盖850～852nm；采用铷(Rb)原子时，第一端口1所采用光纤的GRIN透镜及尾纤的工作波长覆盖479～481nm，第二端口2、第三端口3所采用光纤的GRIN透镜及尾纤的工作波长覆盖779～781nm。
图2为本发明的一种光纤耦合原子气室探头的制作方法的设备连接示意图，第一端口1连接第一激光器，第二端口2连接第二激光器，第三端口3连接光电探测器，光电探测器连接数字示波器。第一激光器用于提供耦合光输出，第二激光器用于提供探测光输出，光电探测器用于将第三端口3输出的光信号转化为电信号，光功率计用于测量第三端口3输出的光信号功率。
图3所示为本发明的一种高效率原子气室探头实物图，原子气室3-4是填充有铯(Cs)原子的玻璃器皿，端口3-1输入的耦合光波长为λ1＝510nm，端口3-2输入的探测光波长为λ2＝852nm，端口3-3输出的探测光波长为λ2＝852nm，二向色镜3-5对852nm探测光实现透射传输，对510nm耦合光实现反射传输，端口3-1、3-2、3-3所采用的光纤接头是FC/APC接头。在实验测试该原子气室探头探头性能时，首先，将功率为p1＝55.25mW的510nm耦合光从端口3-1输入，且耦合光频率在区间[293855.63GHz-50MHz，293855.63GHz-50MHz]内扫描，将功率为p2＝22.5uW的852nm探测光从端口3-2输入，端口3-3连接光电探测器，光电探测器连接数字示波器，EIT光谱测试结果如图4所示，可明显观察到一个透射峰；然后，将端口3-3连接光功率计，测量输出的852nm探测光功率为p3＝9.1uW，因此，测量得到该探头对探测光的传输效率为η＝40.4％。
以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。
Claims (10)
1.一种高效率光纤耦合原子气室探头，用于基于里德堡原子的量子微波测量系统，其特征在于：一种高效率光纤耦合原子气室探头，用于基于里德堡原子的量子微波测量系统，包括第一端口(1)、第二端口(2)、第三端口(3)、原子气室(4)、二向色镜(5)，其中，第一端口(1)为耦合光输入端口、第二端口(2)分别为探测光输入端口，第三端口(3)为探测光输出端口；
原子气室(4)是封闭结构的玻璃器皿，用于填充碱金属原子气体，碱金属原子受激光照射后跃迁至里德堡态；
二向色镜(5)用于对探测光实现透射传输，对耦合光实现反射传输，即第一端口(1)输入的耦合光经过二向色镜(5)偏转90度后入射至原子气室(4)，第二端口(2)输入的探测光经过原子气室(4)、二向色镜(5)后入射至第三端口(3)输出，其中，在原子气室(4)中传输的耦合光光束、探测光光束处于同一直线上对向传输且二者光束具有一致的偏振方向。
2.一种根据权利要求1所述高效率光纤耦合原子气室探头，其特征在于：采用的碱金属原子包括铯或铷。
3.一种根据权利要求2所述高效率光纤耦合原子气室探头，其特征在于：采用铯原子时，第一端口(1)输入的耦合光波长为509～511nm，第二端口(2)输入的探测光、第三端口(3)输出的探测光波长均为850～852nm；采用铷原子时，第一端口(1)输入的耦合光波长为479～481nm，第二端口(2)输入的探测光、第三端口(3)输出的探测光波长均为779～781nm。
4.一种根据权利要求2所述高效率光纤耦合原子气室探头，其特征在于：对于采用不同碱金属原子填充的原子气室，二向色镜(5)的工作波长应相应调整。
5.一种根据权利要求4所述高效率光纤耦合原子气室探头，其特征在于：采用铯原子时，二向色镜(5)的透射光波长为850～852nm，反射光波长是509～511nm；采用铷原子时，二向色镜(5)的透射光波长为779～781nm，反射光波长是479～481nm。
6.一种根据权利要求1至5任一项所述高效率光纤耦合原子气室探头，其特征在于：第一端口(1)、第二端口(2)、第三端口(3)所采用的光纤是具有光束准直输出功能的单模保偏光纤。
7.一种权利要求1所述高效率光纤耦合原子气室探头的制作方法，其特征在于，该方法分为以下步骤：
S1将第一激光器连接至第一端口(1)，第二激光器连接至第二端口(2)，光电探测器连接至第三端口(3)，再与数字示波器相连；
S2第一激光器输出功率为p1的耦合光，且耦合光频率f1在区间[f1-Δf,f1+Δf]内扫描，光的频率与波长的转换满足公式：f1＝c/λ1，其中，c是真空中的光束，λ1是耦合光波长，Δf为扫频带宽；第二激光器输出功率为p2、波长为λ2的探测光；耦合光及探测光的波长选择由碱金属原子里德堡态的谐振能级所对应的拉比频率决定，对于采用不同碱金属原子填充的原子气室，耦合光及探测光的波长应相应调整；
S3调整第一端口(1)、第二端口(2)、第三端口(3)的位置及二向色镜(5)的位置，首先，启动第二激光器，调整第二端口(2)、第三端口(3)的光束准直输出端面的位置及二向色镜(5)的位置，实现探测光从第二端口(2)输入、第三端口(3)输出；然后，启动第一激光器，调整第一端口(1)的光束准直输出端面的位置，实现探测光光束和耦合光光束处于同一直线上对向传输；最后，旋转第一端口(1)、第二端口(2)、第三端口(3)的光束准直输出端面，实现探测光光束和耦合光光束具有一致的偏振方向；
S4观察数字示波器显示输出的EIT光谱，以EIT光谱上透射峰的峰值出现最大值为目标，反复调整第一端口(1)、第二端口(2)、第三端口(3)的光束准直输出端面的光束准直输出端面位置及二向色镜(5)的位置，当EIT光谱的透射峰值出现最大值时，固定原子气室探头各组件之间的连接面。
8.一种权利要求7所述高效率光纤耦合原子气室探头的制作方法，其特征在于：扫频带宽Δf的取值范围为10-200MHz。
9.一种权利要求7所述高效率光纤耦合原子气室探头的制作方法，其特征在于：探测光的频率用饱和吸收谱稳频法锁定于铯原子|6S1/2,(F＝4)>→|6P3/2,(F’＝5)>跃迁，此时，以Δf＝50MHz扫描耦合光频率得到EIT光谱。
10.一种权利要求7所述高效率光纤耦合原子气室探头的制作方法，其特征在于：采用紫外固化光学胶粘合的方式固定原子气室探头各组件之间的连接面。
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