专利名称：一种原子移频器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及非线性光学和量子光学领域，尤其涉及ー种原子移频器。
背景技术：
目前，低功率下高效的频率转换是非线性光学和量子光学领域的ー个重要研究方向，这一高效率转换在精密光谱和量子信息处理和存储中有很广泛的应用。由于在介质里面，非线性系数一般是比较小的，所以高效的转化过程几乎都是用高功率入射作用光场来实现。特别是在拉曼过程中，从入射拉曼光转化为斯托克斯光场的效率非常低。提高转化效率的传统方法是用高精度的光学腔或者用受激拉曼的方法，但是这两种方法的实现装置很复杂。在最近的一段时间里面，很多国际上的研究小组报导可以通过相干的原子系综来提高非线性的转化率。但是目前已有的利用相干的原子系综来提高非线性转化率的方法也存在很多问题，那就是必须要另外的一束光场先在原子系综里产生相干性，这种方法只能在脉冲的情况下运行。我们的移频器是基于作用介质中的原子能级相干性和频率移动转换光场之间的相位关联性和强度关联性进行相干反馈的拉曼散射来实现高效的频率移动。基于这个原理我们的移频器可以实现了高达50%的转化效率，而且频率移频很大，产生的频率移动转换光场可以是连续光场也可以是脉冲光场，在传播方向上会自动与未转换的入射光场空间分离。与之前的其它方案相比较，我们只需要更弱的入射拉曼光场(最低只需
0.03W/cm2)，结构更加简单，操作更加方便，可以输出连续的強度十分稳定的转化光场，可以自动空间分开转化光场和入射拉曼光场。同时对比国际上使用最广泛的移频器(声光调制器和电光调制器)，声光调制器要移频6. SGHz转化率只有万分之一。电光调制器虽然可以有较高的转化率，但是它移率移动转换光场和的入射光场的传播方向是相同的，很难应用。
实用新型内容本实用新型克服了现有技术中声光调制器在移频很大时效率很低以及电光调制器不能把移率移动转换光场和入射光场空间分开等缺陷，提出了ー种原子移频器。本实用新型基于作用介质中的能级相干性和转换光场之间強度关联以及相位关联对拉曼过程的相干反馈原理从而实现光场频移，例如，以铷蒸气原子系综作为作用介质，基于相干反馈的拉曼过程实现光场频移，本实用新型原子移频器相对于一般的声光调制器和电光调制器，效率高，而且可以实现很大频率的频移。本实用新型原子移频器还具有输出稳定、结构简单紧凑、易于集成、自动空间分开频移光和入射拉曼泵浦光等优点。本实用新型提出了ー种原子移频器，包括第一光源；第二光源；极化分束器，其沿所述第一光源的光路设置；第一反射镜，其沿所述第二光源的光路设置；[0009]第二反射镜，其与所述极化分束器相对设置；介质单元，其设置在所述极化分束器与所述第二反射镜之间；所述第一光源的光路经所述极化分束器折射至所述介质単元，所述第二光源的光路经所述第一反射镜反射至所述介质単元中，所述第一光源的光路与所述第二光源的光路在所述介质単元中文叉重合，所形成的转化光场和未转化的第一光源的光场一起射入所述第二反射镜中，并由所述第二反射镜全部原路反射至所述介质単元、极化分束器中。其中，所述第一光源与第二光源是半导体激光器。其中，所述介质単元的作用介质为87Rb原子系综。其中，所述第一光源的光路与所述第二光源的光路交叉重合的角度小于3°。本实用新型原子移频器，进ー步包括磁屏蔽単元，其设置在所述介质単元的外国。其中，所述介质単元的外层镀有石蜡。利用本实用新型原子移频器，基于作用介质中的能级相干性和转换光场之间強度关联以及相位关联对拉曼过程的相干反馈原理，通过相干反馈的拉曼过程实现光场频移，例如，利用87Rb原子系综作为作用介质，基于作用介质能级相干性和转换光场之间相位关联性和强度关联性进行相干反馈拉曼散射实现了很大频率的光场频率移动，并且在移频很大的时候转换效率很高。例如，在-6. 8GHz频移时的转换效率达到50%，在+6. 8GHz频移时的转换效率达到30%。本实用新型利用极化分束器(消光比1000 I)来空间分开实验需要的转化光场和未转换的入射拉曼光场，将转化光场从相应方向射出，且射出的转化光场的强度是连续且稳定的。
图1是实现入射光红移6. 8GHz的原子能级和相应的光频图。图2是实现入射光蓝移6. 8GHz的原子能级和相应的光频图。图3是本实用新型原子移频器的光路图。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本实用新型作进ー步的详细说明。实施本实用新型的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本实用新型没有特别限制内容。如图1-图3中，1-第一光源,2-第二光源,3-极化分束器,4-第一反射镜,5-第二反射镜，6-磁屏蔽单元,7-介质单元。本实用新型中，原子移频器包括第一光源1、第二光源2、极化分束器3、第一反射镜4、第二反射镜5和介质单兀7。其中,第一光源I用于产生入射拉曼光场。第二光源2用于产生光泵光场。介质单元7用于实现拉曼光场的频率移动。极化分束器3沿第一光源I的光路设置，将入射拉曼光场射入介质单元7中，并在空间上分开入射拉曼光场和转化光场。第一反射镜4将光泵光场斜向射入介质单兀7与入射拉曼光场小角度(小于3度角)相交重合。第二反射镜5与极化分束器3相对设置，将从介质单元7中射出的入射拉曼光场和转化光场全部原路反射至介质单元7中。[0025]第一光源I的光路经极化分束器3折射至介质单元7，第二光源2的光路经第一反射镜4反射至介质单元7中，第一光源I的光路与第二光源2的光路在介质单元7中交叉重合，所形成的转化光场和未转化的第一光源的光场一起射入第二反射镜5中，并由第二反射镜5全部原路反射至介质单元7、极化分束器3中。更为具体地，本实用新型较佳实施例中第一光源I与第二光源2为半导体激光器。更为具体地，本实用新型较佳实施例中介质单元7的作用介质为87Rb原子系综。根据需要移频的频段，本实用新型还可以换用其他的原子系综和分子体系，例如Cs原子系综、85Rb原子系综、Na原子系综、或其他。更为具体地，本实用新型较佳实施例中介质层7的外层镀有石蜡。石蜡可以提高介质单元7的移频效率。优选地，本实用新型进ー步包括磁屏蔽单元6。磁屏蔽单元6设置在介质单元7的外围，用于减少介质单元7受到的外界磁干扰。如图1-3所示，本实用新型较佳实施例中，原子移频器利用87Rb原子的“ A ”型原子能级通过相干反馈拉曼散射实现光场的移频。光泵光场和入射的拉曼光场都是连续光，这两束光在介质单元7的原子池中小角度(小于3度角)交叉重合。图1显示的是实现入射光红移6. 8GHz的原子能级和相应的光频图，图2显示的是实现入射光蓝移6. 8GHz的原子能级和相应的光频图。其中，5S1/2、5P1/2、5P3/2为87Rb原子的精细结构，F =1、F = 2为精细结构5S1/2的超精细分裂,其能级差为6. 8GHz。虚线所示为87Rb原子的虚能级。原子移频器既可以将入射的拉曼光红移6. 8GHz，也可以将入射的拉曼光蓝移6. 8GHz，这两种情况下都是可以有3-4GHz的调谐范围。若要实现红移6. 8GHz，将光泵光场的频率设定至87Rb原子Dl线(5S1/2，F = 2 — 5P3/2, 780nm)共振，入射的拉曼光频率设定在87Rb原子D2线(5S1/2，F= I — 5P1/2，795nm)，可以在共振频率附近3-4GHz范围内可调谐。若要实现蓝移6. 8GHz，将光泵光场频率设定至87Rb原子Dl线(5S1/2，F = I — 5P3/2，780nm)共振，入射的拉曼光频率设定在87Rb原子D2线(5S1/2，F = 2-5P1/2，795nm)附近，可以在共振频率附近3-4GHZ范围内可调谐。本实用新型较佳实施例的原子移频器跟现有的声光调制器相比，其效率要高出3-4个数量级，在移频6. 8GHz吋，声光调制器的转化率为万分之一，原子移频器的效率在红移时效率达到50%，蓝移时效率达到30%。现有的电光调制器可以大频率的移频，但是电光调制器不能把已转化光场与未转化光场空间分开。原子移频器自动可以把已转化光场与未转化光场空间分开。根据需要通过改变原子移频器所的介质单元7的作用介质，原子移频器的中心频移点进行改变。例如，作用介质为85Rb,移频器的中心频移点为3. OGHz ;作用介质为87Rb,移频器的中心频移点为6. SGHz ;作用介质为铯Cs，原子移频器的中心频移点为9. 2GHz。由上述可知，通过改变原子移频器的作用介质可以实现不同频率的频移。本实用新型较佳实施例的原子移频器是利用相干反馈原理的拉曼散射。原子移频器采用的作用介质(介质单元7)是纯的87Rb原子系综。87Rb原子被装在ー个50毫米镀石蜡的玻璃池中。这个原子池放在磁屏蔽单元6中减少外界杂散的磁场，并且加热到70°C。本实用新型中，介质单元加热温度适宜的为65-75°C。本实用新型较佳实施例中，原子移频器的移频方法包括步骤ー调节介质单元7，选定原子移频器的移动频率；[0036]步骤ニ:入射拉曼光场和光泵光场射入到介质单元7中，即，打开第一光源I和第ニ光源2入射拉曼光场经过极化分束器3入射到介质单元7中，光泵光场经过第一反射镜4反射到介质单元7中；步骤三:光泵光场将作用介质全部制备到基态能级，入射拉曼光场与处于基态的作用介质发生拉曼散射后形成介质原子能级相干性和频率移动转化光场，介质原子能级相干性和转化光场之间具有很好的相位关联性和很好的強度关联性。介质原子能级相干性待在作用介质中，未转化的入射拉曼光场与转化光场从介质单元7射出至第二反射镜5 ；步骤四:第二反射镜将未转化的入射拉曼光场与转化光场全部原路返回至介质单元中，利用转换光场与能级相干性之间的相位关联性和強度关联性，未转化的入射拉曼光场与作用介质发生相干反馈拉曼散射，未转化的入射拉曼光场高效率地转化为频率移动转换光场，转换光场与未转化的入射拉曼光场一起从介质单兀射出至极化分束器；步骤五:极化分束器空间分开未转化的拉曼光场和频率移动转换光场，将频率移动转换光场沿与入射拉曼光场垂直的方向射出。本实用新型较佳实施例中，原子移频器在连续模式下工作，拉曼光场与光泵光场为连续光场。原子移频器还可以在脉冲模式下工作，拉曼光场与光泵光场为脉冲光场。 优选地，步骤一中，进ー步包括:对介质单元7加热，介质单元7的温度为65-750C，介质单元温度高对应大的介质密度，在介质密度大温度高的时候转化效率更高。优选地,步骤一中,进ー步包括:在介质单元7外面加一个磁屏蔽单元6,减少介质単元7受到的外界磁干扰。本实用新型较佳实施例中，原子移频器的移频范围是以6.8Ghz为中心，有3-4GHz的调谐范围。如果要实现不同的频率段的移频，本实用新型还可以更换其他作用介质，包括各类原子系综以及分子体系，例如更换85Rb原子系综可以实现3.0GHz的移频，Cs原子系综可以实现9.2GHz的移频。更为具体地，第二光源2的半导体激光器作为光泵光源，产生的光泵光场的波长为780nm，功率为80mW。第一光源I的半导体激光器作为入射拉曼光源，产生的拉曼光场的功率在200 u W到若干mW之间，根据需要进行调节。若实现红移6.8GHz，将光泵光频率设定至87Rb原子Dl线(5S1/2，F = 2 — 5P3/2，780nm)共振，入射拉曼光频率设定在87Rb原子D2线(5S1/2，F = I — 5P1/2，795nm)，可以在共振跃迁3-4GHZ范围内进行调谐。若要实现蓝移6.8GHz，将光泵光场频率设定至87Rb原子Dl线(5S1/2，F = I — 5P3/2，780nm)共振，入射的拉曼光频率设定在87Rb原子D2线(5S1/2，F=2 —5P1/2，795nm)附近，可以在共振频率附近3_4GHz范围内可调谐。原子移频器用的光泵光场和拉曼光场的光斑直径分别是1.5mm,1.0mm。根据统计分布律，87Rb原子系综在热平衡下遵从玻尔兹曼分布N - ffexp (_ @ E)，其中W为能级E的简并度，P = 1/KT，K为玻尔兹曼常数。这样87Rb原子系综原子几乎都分布在5S1/2，F = 1，2这个两个能级较低的能级上，而在激发态5P1/2，5P3/2上几乎没有原子分布。5S1/2，F= 1，2两个能级很接近，所有原子的布居很接近。为了提高拉曼散射效率，拉曼散射之前要进行光学泵浦操作，把所有原子从5S1/2，F = 2能级泵浦到5S1/2，F = I能级上，让原子都布居在5S1/2，F = I上。此原子移频器用的第二光源2就是用来作光学泵浦光，在连续模式下光泵光场是一直打开的，把原子抽运到5S1/2，F= I能级。入射拉曼光入射到介质单元(7)发生拉曼散射,会产生转化光场(stokes光场或者ant1-Stokes光场)和原子能级相干性。转化光场在介质单元(7)中产生后，会从介质単元(7)中射出来，而原子能级相干性会一直留在单元介质里面。这个拉曼过程产生转化光场和原子能级相干性具有相位关联和強度关联。转化光场和未转化的入射拉曼光场从介质单元(7)中射出至第二反射镜
5。第二反射镜5将未转化的入射拉曼光场与转化光场全部原路反射至介质单元7，会发生第二次拉曼散射。第二次拉曼散射跟第一次拉曼散射有很大的不同。由于被第二反射镜5反射回来的转化光场和留在原子系综中的原子能级相干性有相位关联和強度关联，使得第二次拉曼散射是相干反馈过程，通过这个相干的反馈过程，可以让拉曼散射光转化效率提高很多倍。相干主要体现在转化光场和留在原子系综中的原子能级相干性之间具有很好的相位关联和強度关联，以及转化光场为相干光场。这个相干反馈增强拉曼过程相比于单ー注入种子光的受激拉曼散射过程、単一注入原子能级相干性的增强拉曼散射过程以及同时注入没有关联的种子光和原子相干性的拉曼散射过程，具有更大的转化效率。原子移频器产生的转化光场的偏振跟入射拉曼光场(即未转化的拉曼光场)是正交的，极化分束器3 (消光比1000 I)来将已转化的拉曼光场与未转化的拉曼光场空间分开，已转化的拉曼光场可以用于其它应用，也可注入到光电探测器中，将探测器的输出电信号接至示波器，观测到的光场强度非常稳定。用光功率计测量入射拉曼光场和转换频移光场的强度，得出的50% (-6. 8GHz频移)和30% (+6.8GHz)的转换效率。本实用新型中，入射拉曼光是垂直偏振，会从极化分束器3垂直反射进入介质单元7。由于光的跃迁要遵从跃迁选择定则，通过计算发现转化光场和入射拉曼光场的偏振是正交的。入射拉曼光场是垂直偏振的，这样转化光场就是水平偏振。极化分束器的使用非常简单，即垂直偏振光经过极化分束器后会从与入射方向呈90度的垂直方向出射，水平偏振光经过极化分束器后会沿与入射方向相同的方向出射，用一个极化分束器很容易将转化光场和入射拉曼光场空间分开，水平偏振的转化光场就会沿着入射拉曼光场垂直的方向出射出来。本实用新型中，原子移频器所用的相干反馈拉曼散射原理，跟其它的光转化方案相比，转化效率更高，需要的入射拉曼光功率更低，能工作在连续光模式下，而且实验装置非常简单，整个装置只需要一个介质単元7，极化分束器3和第一反射镜4、第二反射镜5。本实用新型的保护内容不局限于以上实施例。在不背离实用新型构思的精神和范围下，本领域技术人员能够向到的变化和优点都被包括在本实用新型中，并且以所附的权利要求书为保护范围。
权利要求1.ー种原子移频器，其特征在于，包括: 第一光源⑴; 第二光源⑵； 极化分束器(3)，其沿所述第一光源(I)的光路设置； 第一反射镜(4)，其沿所述第二光源(2)的光路设置； 第二反射镜(5)，其与所述极化分束器(3)相对设置； 介质单元(7)，其设置在所述极化分束器(3)与所述第二反射镜(5)之间； 所述第一光源(I)的光路经所述极化分束器(3)折射至所述介质単元(7)，所述第二光源(2)的光路经所述第一 反射镜(4)反射至所述介质単元(7)中，所述第一光源(I)的光路与所述第二光源(2)的光路在所述介质単元(7)中交叉重合，所形成的转化光场和未转化的第一光源(I)光场一起射入所述第二反射镜(5)中，并由所述第二反射镜(5)全部原路反射至所述介质単元(7)、极化分束器(3)中。
2.如权利要求1所述的原子移频器，其特征在于，所述第一光源(I)与第二光源(2)是半导体激光器。
3.如权利要求1所述的原子移频器，其特征在于，所述介质単元(7)的作用介质为87Rb原子系综。
4.如权利要求1所述的原子移频器，其特征在于，所述第一光源(I)的光路与所述第二光源(2)的光路交叉重合的角度小于3°。
5.如权利要求1所述的原子移频器，其特征在干，进ー步包括磁屏蔽単元(6)，其设置在所述介质单元(7)的外国。
6.如权利要求1所述的原子移频器，其特征在于，所述介质単元(7)的外层镀有石蜡。
专利摘要本实用新型公开了一种原子移频器，包括第一光源；第二光源；极化分束器，其沿第一光源的光路设置；第一反射镜，其沿第二光源的光路设置；第二反射镜，其与极化分束器相对设置。第一光源的光路经极化分束器折射至介质单元，第二光源的光路经第一反射镜反射至介质单元中，第一光源的光路与第二光源的光路在介质单元中交叉重合产生转化光场，所形成的转化光场与未转化的第一光源一起射入第二反射镜中，并由第二反射镜全部原路反射至介质单元、极化分束器中。本实用新型具有效率高、实现大频率的频移、输出稳定、结构简单易于集成、自动空间分开频移光和入射拉曼光等优点。
文档编号G02F1/35GK202916565SQ20122051286
公开日2013年5月1日 申请日期2012年9月28日 优先权日2012年9月28日
发明者陈丽清, 陈冰, 张凯, 边成玲, 区泽宇, 张卫平 申请人:华东师范大学