實現(xiàn)原子能級四波混頻空間位移和分裂測量的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種實現(xiàn)原子能級四波混頻空間位移和分裂測量的方法，其將激光器產(chǎn)生的激光脈沖信號經(jīng)過處理，得532nm波長的激光，然后分成兩束，作為兩個染料激光器的泵浦源；其中一個產(chǎn)生的激光光束經(jīng)過光學器件，得到k1、k3光束以及與k1同向但有個小夾角的k1′光；另一個染料激光器產(chǎn)生的激光光束經(jīng)過光學器件后，得到k2、k2′光束，其中k2與k1光束傳播方向重合，k2′與k1光束有一夾角；k1、k1′、k2、k2′和k3光束會聚于樣品池，產(chǎn)生出的水平偏振的兩個四波混頻信號kF1、kF2；測量四波混頻信號kF1、kF2和探測信號k3的干涉實驗圖譜，即能進行四波混頻空間位移和分裂的測量。本發(fā)明對原子系統(tǒng)中級聯(lián)三能級，Y型四能級、V型三能級等其它類型的開放五能級系統(tǒng)的四波混頻信號均適用。
【專利說明】實現(xiàn)原子能級四波混頻空間位移和分裂測量的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學測量【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種空間位移和分裂測量的方法，尤其是一種實現(xiàn)原子能級四波混頻空間位移和分裂測量的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有技術(shù)中，通常利用單束脈沖激光實現(xiàn)原子能級空間位移和分裂的測量，但無法實現(xiàn)多通道共存。目前還沒有實現(xiàn)在原子能級系統(tǒng)中帶有信號的四波混頻空間位移和分裂測量的先例。本發(fā)明利用可控制的多光束四波混頻的空間移動和分裂來實現(xiàn)單光束不可實現(xiàn)的空間多通道開關(guān)和路由。經(jīng)過 申請人:檢索，沒有發(fā)現(xiàn)與本申請相關(guān)的文獻，為了理解本發(fā)明， 申請人:給出以下相關(guān)參考文獻:G.P.Agrawal, Phys.Rev.Lett.64, 2487 (1990)。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種實現(xiàn)原子能級四波混頻空間位移和分裂測量的方法。
[0004]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
[0005]這種實現(xiàn)原子能級四波混頻空間位移和分裂測量的方法為:將激光器產(chǎn)生的激光脈沖信號經(jīng)過降頻處理，得到532nm波長的激光，然后將該激光分成兩束，分別作為兩個染料激光器的泵浦源；其中一個染料激光器產(chǎn)生的激光光束經(jīng)過半波片、分束片、半透半反鏡、反射鏡、全反棱鏡等光學器件，得到頻率為Q1的相對傳輸?shù)膋p k3光束以及與Ic1同向但有個小夾角的k/光；另一個染料激光器產(chǎn)生的激光光束經(jīng)過光學器件后，得到頻率為?2的1^2、1^光束，其中1^2與1^光束傳播方向重合，k2'與匕光束有一小夾角；kp k/、k2、k2'和匕光束會聚于樣品池，由于在空間上滿足波矢相位匹配條件，產(chǎn)生出的水平偏振的兩個四波混頻信號kF1、kF2 ;利用電荷耦合器件來測量四波混頻信號kF1、kF2和探測信號k3的干涉實驗圖譜，即能進行四波混頻空間位移和分裂的測量。
[0006]進一步，上述的實現(xiàn)原子能級四波混頻空間位移和分裂測量的方法，具體按照以下步驟實現(xiàn):
[0007]I)采用一臺Nd = YAG激光器、第一染料激光器、第二染料激光器、光路和延時光路系統(tǒng)、信號米集系統(tǒng)、鈉樣品池(Na cell);所述Nd:YAG激光器用于產(chǎn)生1064nm波長的激光脈沖信號，經(jīng)過BBO晶體倍頻得到532nm波長的激光，然后通過第一半透半反鏡分成兩束，分別給第一、二染料激光器作為泵浦源；
[0008]2)第一染料激光器射出的光束經(jīng)過第一小孔和第一、二反射鏡后在第七半透半反鏡處分為兩束光，一束反射光經(jīng)第十一反射鏡反射后通過第一半波片和第四偏振分束片分出水平偏振的光束，再經(jīng)過第二小孔及第十二全反鏡和第十三全反鏡到達鈉樣品池；另一束透過半透半反鏡的光穿過第二半波片和第一偏振分束片得到的水平偏振光，穿過第三小孔再經(jīng)過第六半透半反鏡；反射的一束光經(jīng)過全反棱鏡，并利用第四半透半反鏡反射后得到頻率為ω i的Ic1光束，透過第六半透半反鏡的一束光經(jīng)過延時系統(tǒng)并反射后，并利用第五半透半反鏡反射后得到頻率也為O1的k/光束；
[0009]3)第二染料激光器射出的光束經(jīng)過第四反射鏡和第四小孔及半波片B3后，在第二偏振分束片處分為兩束光，一束光經(jīng)過第四半波片和第三偏振分束片出水平偏振的光束，再經(jīng)過第七反射鏡及第三半透半反鏡反射出頻率為ω2的匕光束，并與頻率為OjAk1光束重合；第二偏振分束片分出的另一束光則依次通過第五反射鏡和第六反射鏡及第二半透半反鏡，得到頻率為ω2的k2'光束；
[0010]4)上述過程得到的W、k2和k2'四個光束，其中k/和k2'分別與ki有一小夾角Θ 1、Θ 2 ;再輸入一個與V k2的傳播方向相反的k3光束，它們匯聚于鈉樣品池；在空間上滿足波矢相位匹配條件，產(chǎn)生出的水平偏振的兩個四波混頻信號kF1、kF2 ;利用電荷耦合器件測量先后經(jīng)第八全反鏡、第九全反鏡和第十全反鏡反射的四波混頻信號kF1、kF2和探測信號k3的干涉實驗圖譜，即可進行四波混頻空間位移和分裂的測量。
[0011]上述k/光束和Ii1光束都包含頻率ω?，其中Ii1'光束比Ii1光束相對延時T115
[0012]進一步，上述k2'光束和k2光束都包含頻率ω2，其中k2'光束比k2光束相對延時
T 2 °
[0013]進一步，上述夾角Θ 1、Θ 2均小于0.3°。
[0014]進一步，上述的鈉樣品池指鈉蒸汽置于被屏蔽磁場的高μ金屬片包裹，并用溫控加熱帶加熱的熱管爐中。
[0015]進一步,上述的延時系統(tǒng)采用納米級延時步進系統(tǒng),能夠通過Inchworm高精密延遲線來改變。上述的信號采集系統(tǒng)采用電荷耦合器件CCD，最后通過數(shù)據(jù)采集卡輸入至計算機保存。
[0016]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0017]本發(fā)明的實現(xiàn)原子能級四波混頻空間位移和分裂測量的方法，對原子系統(tǒng)中級聯(lián)三能級，Y型四能級、V型三能級等其它類型的開放五能級系統(tǒng)的四波混頻信號均適用。利用本裝置，可以進一步研究它們的空間特性，如空間位移和分裂特性。而且利用激光脈沖信號對這些空間特性進行超快調(diào)制，可以實現(xiàn)多通道共存的空間開關(guān)和空間路由器的相關(guān)應用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明方法的測量原理圖；
[0019]圖2是二能級位形圖；
[0020]圖3是幾何配制圖；
[0021]圖4是利用空間位移效應實現(xiàn)光開關(guān)/路由器的示范圖；
[0022]圖5是利用空間分裂效應實現(xiàn)光開關(guān)/路由器的示范圖。
【具體實施方式】
[0023]本發(fā)明實現(xiàn)原子能級四波混頻空間位移和分裂測量的方法，是將激光器產(chǎn)生的激光脈沖信號經(jīng)過降頻處理，得到532nm波長的激光，然后將該激光分成兩束，分別作為兩個染料激光器的泵浦源；其中一個染料激光器產(chǎn)生的激光光束經(jīng)過半波片、分束片、半透半反鏡、反射鏡、全反棱鏡等光學器件，得到頻率為Q1的相對傳輸?shù)膋p k3光束以及與Ic1同向但有個小夾角的k/光；另一個染料激光器產(chǎn)生的激光光束經(jīng)過光學器件后，得到頻率為?2的1^2、1^光束，其中1^2與1^光束傳播方向重合，k2'與匕光束有一小夾角；kp k/、k2、k2'和匕光束會聚于樣品池，它們在空間上滿足波矢相位匹配條件，產(chǎn)生出的水平偏振的兩個四波混頻信號kF1、kF2 ;利用電荷耦合器件來測量四波混頻信號kF1、kF2和探測信號k3的干涉實驗圖譜，即能進行四波混頻空間位移和分裂的測量。
[0024]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述:
[0025]參見圖1，圖1是本發(fā)明的測量方法原理圖。首先由以Nd:YAG激光器為泵浦源的兩臺染料激光器(即第一染料激光器DLl和第二染料激光器DL2)分別產(chǎn)生0^和ω2兩束平行獨立的相干光或?qū)\生色鎖噪聲光的光源。在第一染料激光器DLl射出的光路上，設(shè)有一半透半反鏡Η7,將光源分為兩路；其中的一路光利用反射鏡Mil、λ/2玻片和偏振分束片PBS4得到k3光束；另一路穿過半透半反鏡的光通過λ /2玻片和偏振分束片PBSl并利用半透半反鏡Η6及全反棱鏡L和半透半反鏡Η4、Η5的反射得到Ii1'光束和Ii1光束。在DL2射出光路上，光束通過偏振分束片PBS2分為兩路光路；一路光經(jīng)過λ/2玻片和偏振分束片PBS3分出水平偏振的光束k2，再經(jīng)過反射鏡M7及半透半反鏡H3與Ic1光束重合；另一路光則通過兩個反射鏡M5、M6及半透半反鏡H2得到k2'光束。
[0026]在圖1中，由上述過程得到了 kpk/、k2和k2'四個光束，其中匕和^具有共同頻率(^，!^和!^具有共同頻率ω2，并且k/光束比Ii1光束相對延時T1 (可利用延時系統(tǒng)調(diào)節(jié))，k2'光束比k2光束相對延時τ2。其中k/和k2'分別Ic1有一小夾角Θ1、Θ2 (小于0.3° )。再輸入一個與k1、k2的傳播方向相反的k3光束。這些光束匯聚于鈉樣品池(Na cell)。由于在空間上滿足波矢相位匹配條件，產(chǎn)生出的水平偏振的兩個四波混頻(FWM)信號kF1、kF2。利用CXD來測量先后經(jīng)全反鏡M8、M9和MlO反射的FWM信號kF1、kF2和探測信號k3的干涉實 驗圖譜，即可進行四波混頻空間位移和分裂的測量。
[0027]以一個開放三能級原子系統(tǒng)為例，如圖2所示，|0>為基態(tài)，|1>為中間態(tài)，|2>為激發(fā)態(tài)。1^和1^光束頻率為ωρ 1^2和1^光束頻率為ω2，匕光束頻率同樣為ω1Ι5 Q1和分別接近于|0>到|1>、I 1>到|2>的躍遷共振頻率Ω^Ρ Ω2。k/、k2、k2'和k3 (帶撇的表示有相對延時)也同時代表各自光束的波矢。它們滿足相位匹配條件，產(chǎn)生了頻率為Q1的簡并FWM信號kF1。同樣地，在選擇適當?shù)谋闷謭鰪姸群驮O(shè)計特定的激光束形成“方形盒”空間配置(如圖3)的情況下，會產(chǎn)生出高效共存的非簡并FWM信號kF2。這兩個信號的相位匹配條件分別為W1=W +k3和kF2=k2-k2' +k3，這里kF1和kF2分別指簡并和非簡并FWM信號的波矢。這兩個FWM信號出射方向不同，一個沿著k/的反方向，另外一個近似沿著k2'的反方向。通常kF1和kF2之間會以很小的夾角(約為0.3° )出射，如圖3。測量前，盡可能調(diào)整光路(例如反射棱鏡、全反鏡等)，使kpk/、k2、k2'和匕五個光束的整體光程幾乎相等。這樣，探測場k3、簡并FWM信號kF1和非簡并FWM信號kF2將通過電荷耦合器件(CCD)來測量。通過仔細地調(diào)節(jié)以及有選擇性地遮擋“方形盒”空間里的各個激光束(滿足波矢相位匹配條件)，探測場和兩個FWM信號會被準確地甄別出來，通過數(shù)據(jù)采集卡輸入至計算機保存。
[0028]本實驗方案可推廣到任意η+1 (η≥2)能級系統(tǒng),能級| i_l >和| i > (i=3, 4，...，n+l)之間可用匕(1^ )耦合。同樣地，相同頻率的場匕和1^在特定激光束形成的“方形盒”空間配置里以很小的空間夾角入射到樣品池。這樣，所產(chǎn)生的四波混頻信號的出射方向也存在著一定的規(guī)律，通過CCD來測量，進而研究其空間特性。利用激光脈沖信號對這些非穩(wěn)態(tài)空間特性(如空間位移和分裂特性)進行超快調(diào)制，可實現(xiàn)空間開關(guān)和路由器的相關(guān)應用。
[0029]如圖4,在梯形三能級原子系統(tǒng)中利用電磁誘導空間位移(Electromagneticallyinduced spatial shift)效應,全光交換/路由效應是可以經(jīng)過實驗論證的。在三能級原子系統(tǒng)中，我們打開全部的五束激光(kp k/、k2、k2'和k3)，產(chǎn)生的兩個FWM信號，它們之間可以相互影響。在當前系統(tǒng)中，可以通過綴飾場來控制探測場k3和兩個FWM信號kF1、kF2，從而實現(xiàn)三重二元全光開關(guān)。圖4從上到下展示的分別是綴飾光束k/ (正方形)，簡并FWM信號kF1 (三角形)，非簡并FWM信號kF2 (圓形)和探測場匕(菱形)的受控情況。以兩個FWM信號為例，它們的空間位置可以被其他綴飾場移動:該點的初始位置是“關(guān)”狀態(tài)，當該光束被綴飾場移動到新位置時，開關(guān)被認為是“開”狀態(tài)。其中，斬波器的重復周期，遠超過5納秒的綴飾場激光脈沖寬度，所以“開”狀態(tài)維持間隔為5納秒，然后轉(zhuǎn)向“關(guān)”狀態(tài)。當光束k/存在時，探測場匕和FWM信號kF2由于交叉克爾非線性效應移動到光束k/右邊。同時，光束kF1轉(zhuǎn)移到綴飾場光束k2'左邊。當k/不存在時，所有的光束回到原來的位置(“關(guān)閉”狀態(tài))。因為由綴飾場k2'和場k/誘導出的光束kF1和kF2的交叉克爾非線
性系數(shù)《2χ1ρ ?2X6 Of )都是正的，所以光束kF1和kF2的光斑轉(zhuǎn)移到了相反的方向，如圖4所示。而被綴飾場k2'和k/分別誘導出的非線性相移為和
Ψ, =2kF2?f μ；|2^/?0，因此我們可以使用公式中涉及到的兩個可控參數(shù)，即頻率和激
光強度，來控制三個光斑的空間位置。這種同步三束光開關(guān)可以執(zhí)行不同的地址數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽部勺鳛槿饩W(wǎng)絡中光路由，多路轉(zhuǎn)換器或全光開關(guān)陣列的來使用。
[0030]同樣，在梯形三能級原子系統(tǒng)中利用電磁誘導空間分裂(Electromagneticallyinduced spatial splitti`ng)效應,全光路由和空間多路分解器也可以經(jīng)過實驗論證。圖5展示的是FWM信號kF1的垂直極化分量的空間分裂特性隨綴飾場Ic1的極化方向改變而呈現(xiàn)周期性的變化。FWM信號的變化周期為90°，在±45°的位置出現(xiàn)較多的分裂個數(shù)，且強度較強；而在0°和90°的位置分裂個數(shù)較少且強度較弱。換句話說，將Ic1的極化方向角度在90°的周期中變化，可以將FWM信號(可加載光信息)從一個光信道轉(zhuǎn)換(或分布)到3或4個不同的信道。這種可控的空間分裂現(xiàn)象可以為全光多路分解器的實現(xiàn)提供可行的方案。
[0031]基于非穩(wěn)態(tài)空間特性，我們可以構(gòu)成在光通信和網(wǎng)絡中非常有用的多通道共存的全光開關(guān)/路由和空間信號分離器。此外，還可以利用穩(wěn)態(tài)方面的特性(例如光孤子等)來實現(xiàn)全光開關(guān)和路由器。
【權(quán)利要求】
1.一種實現(xiàn)原子能級四波混頻空間位移和分裂測量的方法，其特征在于:將激光器產(chǎn)生的激光脈沖信號經(jīng)過降頻處理，得到532nm波長的激光，然后將該激光分成兩束，分別作為兩個染料激光器的泵浦源；其中一個染料激光器產(chǎn)生的激光光束經(jīng)過半波片、分束片、半透半反鏡、反射鏡、全反棱鏡，得到頻率為ω i的相對傳輸?shù)腎i1A3光束以及與Ic1同向但有個夾角的k/光；另一個染料激光器產(chǎn)生的激光光束經(jīng)過光學器件后，得到頻率為《2的匕、K'光束，其中k2與Ii1光束傳播方向重合，k2'與Ic1光束有一夾角；1^、k3光束會聚于樣品池，它們在空間上滿足波矢相位匹配條件，產(chǎn)生出的水平偏振的兩個四波混頻信號kF1、kF2 ；利用電荷耦合器件來測量四波混頻信號kF1、kF2和探測信號k3的干涉實驗圖譜，即能進行四波混頻空間位移和分裂的測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)原子能級四波混頻空間位移和分裂測量的方法，其特征在于，具體按照以下步驟實現(xiàn): 1)采用一臺Nd= YAG激光器、第一染料激光器(DL1)、第二染料激光器(DL2)、光路和延時光路系統(tǒng)、信號米集系統(tǒng)、鈉樣品池(Na cell);所述Nd: YAG激光器用于產(chǎn)生1064nm波長的激光脈沖信號，經(jīng)過BBO晶體倍頻得到532nm波長的激光，然后通過第一半透半反鏡(Hl)分成兩束，分別給第一、二染料激光器(DL1、DL2)作為泵浦源； 2)第一染料激光器(DLl)射出的光束經(jīng)過第一小孔(Kl)和第一、二反射鏡(Ml、M2)后在第七半透半反鏡(H7)處分為兩束光，一束反射光經(jīng)第十一反射鏡(MlI)反射后通過第一半波片(BI)和第四偏振分束片(PBS4)分出水平偏振的光束，再經(jīng)過第二小孔(K2)及第十二全反鏡(M12)和第十三全反鏡(M13)到達鈉樣品池(Na cell);另一束透過半透半反鏡(H7)的光穿過第二半波 片(B2)和第一偏振分束片(PBSl)得到的水平偏振光，穿過第三小孔(K3)再經(jīng)過第六半透半反鏡(H6);反射的一束光經(jīng)過全反棱鏡(L)，并利用第四半透半反鏡(H4)反射后得到頻率為O1的Ic1光束，透過第六半透半反鏡(H6)的一束光經(jīng)過延時系統(tǒng)并反射后，并利用第五半透半反鏡(H5)反射后得到頻率也為O1的1^光束； 3)第二染料激光器(DL2)射出的光束經(jīng)過第四反射鏡(M4)和第四小孔(K4)及半波片B3后，在第二偏振分束片(PBS2)處分為兩束光，一束光經(jīng)過第四半波片(B4)和第三偏振分束片(PBS3)出水平偏振的光束，再經(jīng)過第七反射鏡(M7)及第三半透半反鏡(H3)反射出頻率為ω2的匕光束，并與頻率為O1的Ic1光束重合；第二偏振分束片(PBS2)分出的另一束光則依次通過第五反射鏡(Μ5)和第六反射鏡(Μ6)及第二半透半反鏡(Η2)，得到頻率為ω2的k2'光束； 4)上述過程得到的kpk/、k2和k2'四個光束，其中k/和k2'分別與1^有一夾角Θ1、Θ2;再輸入一個與k1、k2的傳播方向相反的k3光束，它們匯聚于鈉樣品池(Na cell)；在空間上滿足波矢相位匹配條件，產(chǎn)生出的水平偏振的兩個四波混頻信號kF1、kF2 ;利用電荷耦合器件(CXD)測量先后經(jīng)第八全反鏡(M8)、第九全反鏡(M9)和第十全反鏡(MlO)反射的四波混頻信號kF1、kF2和探測信號k3的干涉實驗圖譜，即可進行四波混頻空間位移和分裂的測量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)原子能級四波混頻空間位移和分裂測量的方法，其特征在于:所述k/光束和Ic1光束都包含頻率GJ1，其中Ic1'光束比Ic1光束相對延時T115
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)原子能級四波混頻空間位移和分裂測量的方法，其特征在于:k/光束和k2光束都包含頻率ω2，其中k2'光束比k2光束相對延時τ2。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)原子能級四波混頻空間位移和分裂測量的方法，其特征在于:夾角Θ 1、Θ 2均小于0.3°。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)原子能級四波混頻空間位移和分裂測量的方法，其特征在于:所述的鈉樣品池指鈉蒸汽置于被屏蔽磁場的高μ金屬片包裹，并用溫控加熱帶加熱的熱管爐中。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)原子能級四波混頻空間位移和分裂測量的方法，其特征在于:所述的延時系統(tǒng)采用納米級延時步進系統(tǒng)，能夠通過Inchworm高精密延遲線來改變。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)原子能級四波混頻空間位移和分裂測量的方法，其特征在于:所述的信號采集系 統(tǒng)采用電荷耦合器件CCD，最后通過數(shù)據(jù)采集卡輸入至計算機保存。
【文檔編號】G01B11/02GK103591893SQ201310497697
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月21日
【發(fā)明者】張彥鵬, 宋建平, 鄭淮斌, 張貽齊, 黃高坪, 封瑋康 申請人:西安交通大學