CN114825035A - 基于磁光腔的频率梳生成系统 - Google Patents
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Abstract
基于磁光腔的频率梳生成系统，包括：半导体激光器、矢量网络分析仪、光纤偏振控制器、YIG晶体球、交变磁场生成装置、锥型光纤波导、半波片、偏振分束器和频谱分析仪；半导体激光器输出的光经光纤波导耦合进入光路，再通过光纤偏振控制器后经锥型光纤波导耦合进入YIG晶体球，半波片和偏振分束器位于频谱分析仪前面，矢量网络分析仪产生的微波辐射直接作用在YIG晶体球上，YIG晶体球在交变磁场作用下激发磁振子，入射光子与YIG晶体球上激发的磁振子之间发生非线性布里渊散射，产生具有固定频率间隔的光磁频率梳，并经过频谱分析仪进行探测；本申请提供的基于磁光腔的频率梳生成系统，可实现磁场可控的光磁频率梳的产生。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体涉及基于磁光腔的频率梳生成系统。
背景技术
磁振子(magnon)，即自旋波量子，是磁性材料中相互作用的自旋体系由于各种激发作用引起的集体运动。磁振子在后摩尔时代光电子器件的发展中作为信息载体，在未来的通信技术有着诱人的应用前景，已经成为了凝聚态物理与量子光学领域中一个重要的前沿课题。研究表明，利用磁振子作为信息载体可以有效地避免芯片中因电荷高速运动和频繁碰撞引发的严重发热现象，从而可望实现更低功耗、更高速度的信息存储和逻辑运算芯片。光学频率梳是指在频谱上由一系列均匀间隔且具有相干稳定相位关系的频率分量组成的光谱，是目前最有效的进行绝对光学频率测量的工具，逐渐被人们运用于光学频率精密测量、原子跃迁能级测量、远程信号时钟同步与卫星导航等领域中。研究表明，光学光子与磁振子之间可以通过交换虚光子的形式实现耦合相互作用，而在光磁领域中实现光磁频率梳是一个全新的技术领域，对进一步研究非线性光磁耦合动力学具有重要的科学意义，但是现有技术中并没有可以实现磁场可控的光磁频率梳的技术。
发明内容
针对上述问题，本申请提供了一种基于磁光腔的频率梳生成系统，旨在解决现有技术中没有可以实现磁场可控的光磁频率梳的技术问题。
本发明提供的基于磁光腔的频率梳生成系统，包括：
包括：半导体激光器、矢量网络分析仪、光纤偏振控制器、YIG晶体球、交变磁场生成装置、锥型光纤波导、半波片、偏振分束器和频谱分析仪；
半导体激光器连接光纤偏振控制器的一端，光纤偏振控制器的另一端通过连接锥型光纤波导的一端，从而与YIG晶体球连接，半波片的一端通过连接锥型光纤波导的另一端，从而与YIG晶体球连接，半波片的另一端连接偏振分束器，偏振分束器连接频谱分析仪，YIG晶体球还与矢量网络分析仪连接，交变磁场生成装置设置在YIG晶体球的附近，使得交变磁场生成装置生成的交变磁场直接作用于YIG晶体球上；
半导体激光器输出的光经光纤波导耦合进入光路，光纤偏振控制器位于半导体激光器和YIG晶体球之间，半导体激光器输出的光通过光纤偏振控制器后再经锥型光纤波导耦合进入YIG晶体球上，半波片和偏振分束器位于频谱分析仪前面，矢量网络分析仪产生的微波辐射直接作用在YIG晶体球上，YIG晶体球在交变磁场作用下激发磁振子，入射光子与YIG晶体球上激发的磁振子之间发生非线性布里渊光散射，从而产生具有固定频率间隔的光磁频率梳，并经过频谱分析仪进行探测。
本申请相比于其他现有技术，其可以带来如下有益效果：
本申请提供了一种实现磁场可控的光磁频率梳的全新方案，即一种基于磁光腔的频率梳生成系统，光磁频率梳的产生把光学频率梳和磁振子有效地结合在一起，可以用于实现微波到光波的转化，同时，可用于基于磁振子器件的精密测量。此外，该方案实现的光磁频率梳是磁场可控的，而且该方案揭示了光磁频率梳产生的物理机制。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例提供的基于磁光腔的频率梳生成系统结构图；
图2是本发明实施例提供的光磁耦合强度分别为g＝2π×39.2Hz、g＝2×2π×39.2Hz、g＝3×2π×39.2Hz和g＝4×2π×39.2Hz时输出光场的频谱图；
图3是本发明实施例提供的磁场强度分别为H＝2410.6高斯、H＝2410.7高斯、
H＝2410.8高斯和H＝2410.9高斯时输出光场的频谱图；
主要元件及符号说明：
1、半导体激光器；2、矢量网络分析仪；3、光纤偏振控制器；4、YIG晶体球；5、交变磁场生成装置；6、锥型光纤波导；7、半波片；8、偏振分束器；9、频谱分析仪。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参见图1实施例所示的基于磁光腔的频率梳生成系统结构图；
该系统包括：半导体激光器1、矢量网络分析仪2、光纤偏振控制器3、YIG晶体球4、交变磁场生成装置5、锥型光纤波导6、半波片7、偏振分束器8和频谱分析仪9，
其中，半导体激光器1连接光纤偏振控制器3的一端，光纤偏振控制器3的另一端通过连接锥型光纤波导6的一端，从而与YIG(Yttrium Iron Garnet，即钇铁石榴石)晶体球4连接，半波片7的一端通过连接锥型光纤波导6的另一端，从而与YIG晶体球4连接，半波片7另一端连接偏振分束器8，偏振分束器8连接频谱分析仪9，YIG晶体球4还与矢量网络分析仪2连接，交变磁场生成装置5设置在YIG晶体球4的附近，使得交变磁场生成装置5生成的交变磁场直接作用于YIG晶体球4上。
系统工作时，半导体激光器1输出的光经光纤波导耦合进入光路，光纤偏振控制器3位于半导体激光器1和YIG晶体球4之间，半导体激光器1输出的光通过光纤偏振控制器3后再经锥型光纤波导6耦合进入YIG晶体球4上，半波片7和偏振分束器8位于频谱分析仪9前面，矢量网络分析仪2产生的微波辐射直接作用在YIG晶体球4上，YIG晶体球4在交变磁场生成装置5生成的交变磁场作用下激发磁振子，入射光子与YIG晶体球4上激发的磁振子之间发生非线性布里渊散射，从而产生具有固定频率间隔的频率梳，并经过频谱分析仪9进行探测。
本申请提供了一种实现磁场可控的光磁频率梳的全新方案，即一种基于磁光腔的频率梳生成系统，光磁频率梳的产生把光学频率梳和磁振子有效地结合在一起，可以用于实现微波到光波的转化，同时，可用于基于磁振子器件的精密测量。
在一实施例中，交变磁场生成装置5可以由两个不同的磁极组成，YIG晶体球4设置在两个磁极产生的交变磁场中，使得交变磁场可以直接作用于YIG晶体球4上；本实施例可以激发YIG晶体球上的磁振子，而且磁振子的本征频率可以通过调节交变磁场的强度来控制。
在一实施例中，光纤偏振控制器3位于半导体激光器1后面，半导体激光器1输出的光耦合进入光纤波导，经光纤偏振控制器3调节为TE模式光输出；本实施例可以实现对输入激光偏振态的调节。
在一实施例中，经光纤偏振控制器3输出的TE模式光，通过锥型光纤波导6倏逝耦合进入YIG晶体球4内；本实施例可以将输入激光耦合到YIG晶体球内，从而实现光学光子与磁振子之间的有效耦合相互作用。
在一实施例中，耦合进入YIG晶体球4的TE模式激光由于全反射将被限制在YIG晶体球4内表面内，形成回音壁模式谐振腔；本实施例可以增强TE模式光子与YIG晶体球上激发的磁振子之间的相互作用，使得系统的非线性布里渊光散射过程得到极大的增强，进而产生稳健的光磁频率梳。
在一实施例中，YIG晶体球4在交变磁场作用下激发磁振子模，TE模式光子与磁振子之间发生布里渊散射，从而产生具有固定频率间隔的频率梳，该物理过程具体有如下步骤：
A、在激光场驱动下，腔光磁系统的哈密顿量：
式中，
为约化的普朗克常量，
和
分别表示激光场的TE模、TM(Transverse-Magnetic)模和YIG晶体球激发的磁振子模的产生(湮灭)算符。Δa＝ωa-ωl,Δb＝ωb-ωl-ωmw,Δm＝ωm-ωmw,Δp＝ωp-ωl分别表示相应模式的频率失谐，g表示光磁耦合强度。
表示激光驱动场、探测场和微波控制场的振幅，其中κa(m)表示TE模和磁振子模的耗散率，pl(p)(mw)表示激光驱动场、探测场和微波控制场的功率。
B、根据海森堡-郎之万方程，得到描述腔光磁系统随时间演化满足的耦合方程：
式中，κb表示TM模的耗散率。
C、根据输入-输出关系
可以得到腔光磁系统的输出光场，其中，
表示在以ωl+ωmw为旋转框架下的有效输入光场表达式。通过求解海森堡-朗之万方程，可以得到输出光场随时间的变化关系。通过对输出光场做快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)，得到输出光场的频谱图，即
在本实施例中，通过控制交变磁场大小，可以实现对磁振子本征频率的调节，进而可以实现磁场可控的频率梳。同时揭示了光磁频率梳产生的物理机制。
在一实施例中，YIG晶体球4直径为200微米，半导体激光器1输出波长为1064纳米。
参见图2与图3实施例所示的频谱图；
图2是本发明实施例提供的光磁耦合强度分别为g＝2π×39.2Ηz、g＝2×2π×39.2Ηz、g＝3×2π×39.2Ηz和g＝4×2π×39.2Ηz时输出光场的频谱图，可知，本申请提供的系统，随着光磁耦合强度的增加，可以得到稳健的光磁频率梳。
图3是本发明实施例提供的磁场强度分别为H＝2410.6高斯、H＝2410.7高斯、H＝2410.8高斯和H＝2410.9高斯时输出光场的频谱图，可知，本申请提供的系统，通过调节交变磁场强度可以实现光磁频率梳的调节。相对于现有的技术，即相比于通过增强输入光功率来实现频率梳的调节的方法，本发明提供方法可以实现在磁场可控的条件下产生频率梳。
本申请把光学频梳和自旋波(即磁振子)有效地结合在一起，此外，该方法实现的光磁频率梳是磁场可控的，同时，该方法揭示了腔光磁系统中产生光磁频率梳的物理机制。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (6)
1.基于磁光腔的频率梳生成系统，其特征在于，包括：
半导体激光器、矢量网络分析仪、光纤偏振控制器、YIG晶体球、交变磁场生成装置、锥型光纤波导、半波片、偏振分束器和频谱分析仪；
半导体激光器连接光纤偏振控制器的一端，光纤偏振控制器的另一端通过连接锥型光纤波导的一端，从而与YIG晶体球连接，半波片的一端通过连接锥型光纤波导的另一端，从而与YIG晶体球连接，半波片的另一端连接偏振分束器，偏振分束器连接频谱分析仪，YIG晶体球还与矢量网络分析仪连接，交变磁场生成装置设置在YIG晶体球的附近，使得交变磁场生成装置生成的交变磁场直接作用于YIG晶体球上；
半导体激光器输出的光经光纤波导耦合进入光路，光纤偏振控制器位于半导体激光器和YIG晶体球之间，半导体激光器输出的光通过光纤偏振控制器后再经锥型光纤波导耦合进入YIG晶体球上，半波片和偏振分束器位于频谱分析仪前面，矢量网络分析仪产生的微波辐射直接作用在YIG晶体球上，YIG晶体球在交变磁场作用下激发磁振子，入射光子与YIG晶体球上激发的磁振子之间发生非线性布里渊光散射，从而产生具有固定频率间隔的光磁频率梳，并经过频谱分析仪进行探测。
2.根据权利要求1所述的基于磁光腔的频率梳生成系统，其特征在于，光纤偏振控制器位于半导体激光器后面，半导体激光器输出的光耦合进入光纤波导，经光纤偏振控制器调节为TE模式光输出。
3.根据权利要求2所述的基于磁光腔的频率梳生成系统，其特征在于，经光纤偏振控制器输出的TE模式光，通过锥型光纤波导倏逝耦合进入YIG晶体球内。
4.根据权利要求3所述的基于磁光腔的频率梳生成系统，其特征在于，耦合进入YIG晶体球的TE模式激光由于全反射将被限制在YIG晶体球内表面上，形成回音壁模式谐振腔。
5.根据权利要求1所述的基于磁光腔的频率梳生成系统，其特征在于，YIG晶体球在交变磁场作用下激发磁振子，TE模式光子与磁振子之间发生非线性布里渊光散射，从而产生具有固定频率间隔的光磁频率梳，具体包括如下步骤：
A、在激光场驱动下，腔光磁系统的哈密顿量：
式中，
为约化的普朗克常量，
和
分别表示激光场的TE模、TM模和YIG晶体球激发的磁振子模的产生(湮灭)算符；Δa＝ωa-ωl,Δb＝ωb-ωl-ωmw,Δm＝ωm-ωmw,Δp＝ωp-ωl分别表示相应模式的频率失谐，g表示光磁耦合强度；
表示激光驱动场、探测场和微波控制场的振幅，其中κa(m)表示TE模和磁振子模的耗散率，pl(p)(mw)表示激光驱动场、探测场和微波控制场的功率；
B、根据海森堡-郎之万方程，得到描述腔光磁系统随时间演化满足的耦合方程：
式中，κb表示TM模的耗散率；
C、根据输入-输出关系
可以得到腔光磁系统的输出光场，其中，
表示在以ωl+ωmw为旋转框架下的有效输入光场表达式，通过求解海森堡-朗之万方程，可以得到输出光场随时间的变化关系，通过对输出光场做快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)，得到输出光场的频谱图，即
6.根据权利要求1所述的基于磁光腔的频率梳生成系统，其特征在于，YIG晶体球直径为200微米，半导体激光器输出波长为1064纳米。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20220729 |