實現不同階次多波混頻間的共存和相互作用的測量方法

2023-10-11 11:50:44

專利名稱：實現不同階次多波混頻間的共存和相互作用的測量方法
技術領域：
本發明涉及一種光學實現方法，具體是一種實現任意能級不同階次多波 混頻間的共存和相互作用的方法。
背景技術：
在正常情況下，多能級原子系統的六波混頻信號強度比四波混頻信號強 度小几個量級。特別在氣體中，原子密度及非線性效應都很低，因而無法觀 測不同價次多波混頻(六波混頻和四波混頻)共存的現象。到目前為止，僅 有在液體或固體系統中實現不同價次多波混頻共存觀測的報導，還未見在氣
體原子或分子中實現不同價次多波混頻共存的觀測的報導，本專利設計 研究不同階的多波混頻過程在多能級原子系統裡的同時產生和共存，以及基
於電磁誘導透明(EIT)的多能級原子系統高效率的多波混頻之間存在的相 互競爭、相互幹涉，和它們在傳播過程中存在的能量交換。目前還沒有一種 實現這些過程的方法的先例。

發明內容
本發明的目的在於，提出一種實現任意能級不同階次多波混頻間的共存 和相互作用的方法。本發明可以觀察到以前無法觀察到氣體原子或分子中的 不同階次多波混頻間的共存，有助於理解和設計多通道的非線性光子器件。 為了實現上述目的，本發明採取如下的技術解決方案 一種實現任意能級不同階次多波混頻間的共存和相互作用的方法，包括 下列步驟-
1) 入射頻率為^的光束經過一個半波片P5和偏振分束片PBS1分為兩束 光，其中分出的一束水平偏振光由PBS1射出後得到頻率為^的《光束
2) 首先設置入射頻率為必2、 ^和^的三束獨立的連續光或脈衝光源；並在 光路上設置半波片、偏振分束片(作用是使垂直偏振光反射，使水平偏
振光透射)、全反鏡、復位鏡、可移動的全反稜鏡和凸透鏡；
3) 入射頻率為q的光束經過一個半波片Pl和偏振分束片PBS4分為兩束 光，其中分出的一束垂直偏振光射至全反鏡M1，然後由全反鏡M1反 射至全反鏡M2再反射，並由凸透鏡Ll匯聚後入射至全反鏡M3，經 全反鏡M3反射後得到頻率為q的《光束；偏振分束片PBS4分出的 另一束水平偏振光經半波片P2後變為垂直偏振光，經過凸透鏡Ll匯 聚後入射至全反鏡M3，經全反鏡M3反射得到頻率也為^的^光束；
4) 入射頻率為^的光束經過一個半波片P4和偏振分束片PBS5分為兩束 光，其中分出的一束垂直偏振光射至全反鏡M6，然後由全反鏡M6反 射至全反鏡M5後再反射出，經復位鏡FM3反射至可移動的全反稜鏡， 最後先後經全反稜鏡和復位鏡FM2反射，並穿過凸透鏡L2，匯聚後入 射至全反鏡M4，經M4反射後得到頻率為^的《光束；PBS5分出的 另一束水平偏振光則穿過PBS5和半波片P3後變為垂直偏振光，經過 凸透鏡L2，匯聚後入射至M4，經M4反射得到頻率也為^的^光束；
5) 入射頻率為^的光束經過一個半波片P6後，由一個偏振分束片PBS3 分為兩束光，其中分出的一束水平偏振光穿過PBS3和半波片P7後變 為垂直偏振光，入射至全反鏡M7，經M7反射得到頻率為^的&光束；
6) 《光束和&光束都包含頻率q，其中《光束比^光束相對延時2"2;《和 ^3光束都包含頻率^，移動全反鏡M1可改變《和^光的相對延時^。
7) 上述過程得到了k1、k'2、k3、k'3和k4五個光束，它們的入射方向在空間 上相互滿足0.3。小夾角的波矢相位匹配條件，與反向傳播的^光束匯聚 於銣樣品池上。產生出的水平偏振的四波混頻FWM、六波混頻SWM、 八波混頻EWM信號出射方向相對於《光束的方向有一個小於0.3°夾 角。矽光二極體D1可以用來探測A光束，雪崩光電二極體APD1用來 探測先後經全反鏡M8和M9反射的共存的四波混頻、六波混頻和八波
混頻信號。電荷耦合器件(ccd)用來測量先後經全反鏡m8和復位鏡 fm1反射的四波混頻、六波混頻和八波混頻信號幹涉實驗圖譜。雪崩 光電二極體apd2用來探測先後經全反鏡m8和m10反射的另一六波 混頻信號，fwm和swm從不同角度出射時，可以用來研究它們之間 的能量轉換。從而可實現任意能級不同階次多波混頻間的共存和相互 作用。
採用上述方法可以實現任意能級不同階次多波混頻間的共存和相互作 用的方法。對原子系統中級聯三能級，y型四能級、v型三能級等其它類型 的開放五能級系統的四波混頻、六波混頻、八波混頻信號均適用。可以實現 不同階次多波混頻間的共存和相互競爭、相互幹涉，和它們在傳播過程中存 在的能量交換。


圖l是本發明方法的測量原理圖。 圖2是任意能級位形圖； 圖3是幾何配製圖。
下面結合附圖和本發明的實驗方案對本發明作進一步詳細說明。
具體實施例方式
參見圖1所示，首先設置入射頻率為w2、 w3和w4的三束獨立的的連續光 或脈衝光源；並在光路上設置半波片、偏振分束片(作用是使垂直偏振光反 射，使水平偏振光透射)、全反鏡、復位鏡、可移動的全反稜鏡和凸透鏡。
在圖1中，將三束獨立的相干光或孿生色鎖噪聲光(頻率為w2、 w3和w4)
每束光由偏振分束片PBS分別分為兩束光，再利用稜鏡P和可移動的全反鏡R
將垂直偏振光束反射回原光路，從而得到新的兩束光(其中的一束光相對於
另一束光有相對延時)。移動全反鏡r可改變光束的相對延時T，從而改
變相位差。利用本裝置，可得到以下的結果k'2光束中頻率為w2的光比k2光 束中同頻率光相對延時t2，k'3光束中頻率為w3的光比k3光束中同頻率光相對
延時巧。延時72、 73的大小可以通過調節延時線來獲得。延時線裡的反射
稜鏡被裝在壓電陶瓷微位移驅動器(Inchworm)上，用計算機控制精密移 動。位移精度優於l納米，從而改變光束的相對延時，延時精度優於2nm/(3 X 10 "nm/秒)"6阿秒。利用上述裝置，可實現任意能級不同階次多波混 頻間的共存和相互作用。
參照圖2、圖3所示，以一個開放五能級原子系統為例，|0>為基態，|1> 為中間態，|2>、 |3>和|4>為激發態。利用上述方法得到的泵浦光的空間幾何 配製，如圖3所示。《光束中包含頻率分量q， &和《光束中包含頻率分量^, ^和《光束中包含頻率分量q， ^光束中包含頻率分量叫，《、&、《、^、 《和A (帶撇的同樣表示有相對延時)同時也代表各自光束的波矢。q、 ^、 ^和叫分別接近於|0>到|1>、 |1>至山2>、 |2>至山3>、 |1〉到|3>的躍遷共振頻率^、 q、 q和^。兩個泵浦雷射束&和《耦合|1 >和| 2 〉之間的躍遷，另外兩 個泵浦場^和《耦合|2>和|3>之間的躍遷，泵浦場^耦合|1>和|4〉之 間的躍遷，探測場^調諧在|0>和|1>之間的躍遷。g光束中的A和&光 束中的^在|0> 、 |1>、 12〉中發生了A+Q2的雙光子過程，經含頻率分量 02的&光束探測，產生了頻率為^的FWM信號，出射方向沿A+^-《。 同樣地，在選擇適當的泵浦場強度和設計特定的雷射束形成"方形盒"空間 配置(如圖3)的情況下，會產生出高效共存的FWM、 SWM和EWM信號， 它們之間會以很小的夾角(實驗上大約是0.3。)出射(它們同時和泵浦場之間 也有一個很小的夾角)。如圖l，這三個信號的相位匹配條件分別是
*/=w《，m《+K禾口 w^+a廣a;+h這裡
A/，&和&分別是FWM、 SWM和EWM信號的波矢。這樣，探測場，FWM、 SWM和EWM信號可以分別被不同的探測器探測到。測量前，儘可能調整光 路，設反射稜鏡和全反鏡在某一位置時，使《、&、《、&、《和&五個光 束的整體光程幾乎相等。^和《、a和《之間有一個相對延時。
本實驗可在5cm長的"Rb原子蒸汽樣品池裡進行的。該樣品池被屏蔽
磁場的高/z金屬片包裹，並用溫控加熱帶加熱。以圖2所示的五能級系統為 例，它的各個能級分別由551/2 ( |0> )， 5屍3/2 ( |1> ), 5化/2 ( |2> )， 5^/2 ( |3> )和5"5/2， ( |4> )組成，水平偏振的探測場^來自于波長為 780.24nm的外腔式二極體雷射器(ECDL)，垂直偏振的耦合場、和"由另一 個波長為776.16nm的ECDL的光束分束而來，垂直偏振的泵浦場、和it;由一 個波長為762.10nm的連續波(CW)Ti: Sapphire雷射器的光束分束而來，垂直 偏振的耦合場、另一個波長為775.99nm的ECDL的光束而來。耦合場(&和") 和泵浦場(&和yt;)的功率分別為15和65mW，探測場的功率為0.7mW。另夕卜， 樣品池中心處的泵浦場和耦合場光斑直徑分別是大約0.5mm,而探測場在這 裡的光斑直徑大約是0.3mm。產生出來的FWM、 SWM和EWM信號為水平偏 振(如圖3所示)。我們可以通過改變雷射器LD1的光柵的角度和電流大小來 達到掃描探測光頻率的目的。而光束間的延時r可以通過Inchworm高精密延 遲線來改變。具體來講全反射稜鏡R被裝在壓電陶瓷微位移驅動器 (Inchworm)上，用計算機控制其精密移動。位移精度優於l納米，從而改變 光束間的相對延時，延時精度優於2nm/(3 x 10卩nm/sec)-6阿秒。沿空間矢 量r方向的幹涉實驗圖譜可以通過電荷耦合器件(CCD)來測量。同時探測場， FWM、 SWM和EWM將分別被三個探測器探測到矽光二極體Z^探測探測 場，雪崩光電二極體(APD1)放在相對於探測場的小夾角0方向來探測共存的 FWM、 SWM和EWM信號，當它們從同一角度出射時，可以用來研究它們 之間的相互幹涉。雪崩光電二極體(APD2)放在2倍^方向來探測共存的 SWM。當FWM, SWM和EWM從不同角度出射時，可以用來研究FWM和 SWM之間的能量轉換。通過仔細地調節"方形盒"空間裡的各個雷射束(滿足 0.3°小夾角的波矢相位匹配條件)，以及有選擇性地擋光，FWM信號、SWM 信號和EWM信號會被準確地甄別出來，從而進一步研究這些多波混頻之間 的相互競爭、相互幹涉，和它們在傳播過程中存在的能量交換。
本實驗方案可推廣到任意n+l能級系統，能級|/-1>和|/>
(i=3，4，...,n+l)之間可用^(A:;)耦合。同樣地，相同頻率的場/t,和"在特定 的雷射束形成"方形盒"空間配置裡以很小的空間夾角入射到銣樣品池。在 選擇適當的泵浦場強度和特定的雷射束形成"方形盒"空間配置設計(如圖 3)的情況下，共存著更高階的相同頻率的多波混頻過程，它們的出射方向 也存在著一定的規律，從而可以進一步研究它們的共存和相互作用。
權利要求
1.實現不同階次多波混頻間的共存和相互作用的測量方法，其特徵在於，包括下列步驟1)首先設置入射頻率為ω1、ω2、ω3和ω4的四束獨立的連續光或脈衝光源；並在光路上設置半波片、偏振分束片、全反鏡、復位鏡、可移動的全反稜鏡和凸透鏡； 2)入射頻率為ω1的光束經過一個半波片P5和偏振分束片PBS1分為兩束光，其中分出的一束水平偏振光由PBS1射出後得到頻率為ω1的k1光束； 3)入射頻率為ω2的光束經過半波片P4和偏振分束片PBS5分為兩束光，其中分出的一束垂直偏振光反射至全反鏡M6，然後由全反鏡M6反射至全反鏡M5後再反射，之後經復位鏡FM3反射至可移動的全反稜鏡P，經全反稜鏡P和復位鏡FM2反射，並經凸透鏡L2匯聚後入射至全反鏡M4，經全反鏡M4反射後得到頻率為ω2的k2′光束；偏振分束片PBS5分出的另一束水平偏振光則穿過半波片P3後變為垂直偏振光，經凸透鏡L2匯聚後入射至全反鏡M4，經全反鏡M4反射得到頻率也為ω2的k2光束； 4)入射頻率為ω3的線偏振光束經過一個半波片P1和偏振分束片PBS4，分為兩束光，分別為垂直偏振光和水平偏振光。垂直偏振光由偏振分束片PBS4反射至全反鏡M1，然後由全反鏡M1反射至全反鏡M2再反射，並經凸透鏡L1匯聚後入射至全反鏡M3，經全反鏡M3反射後得到頻率為ω3的k3′光束；PBS4分出的另一束水平偏振光通過半波片P2後變為垂直偏振光，經過凸透鏡L1匯聚後入射至全反鏡M3，經全反鏡M3反射得到頻率為ω3的k3光束； 5)入射頻率為ω4的光束經過一個半波片P6和偏振分束片PBS3分為兩 束光，其中分出的一束水平偏振光穿過半波片P7後變為垂直偏振 光，入射至全反鏡M7，經全反鏡M7反射得到頻率為ω4的k4光束； 6)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τ2；k3′ 和k3光束都包含頻率ω3，移動全反鏡M1可改變k3′和k3光的相對延時 τ3 ； 7)上述過程得到了k2、k2′、k3、k3′和k4五個光束，它們的入射方向在空 間上相互滿足小於0.3°夾角的波矢相位匹配條件，與反向傳播的k1光 束匯聚於銣樣品池上，產生出的水平偏振的四波混頻FWM、六波混 頻SWM、八波混頻EWM信號出射方向相對於k1光束的方向有一個 小於0.3°夾角，從而實現任意能級不同階次多波混頻間的共存和相 互作用。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述的可移動的全反稜 鏡P安裝在壓電陶瓷微位移驅動器上，由計算機控制移動。
全文摘要
本發明公開了一種實現任意能級不同階次多波混頻間的共存和相互作用的方法。兩束獨立的連續光或脈衝光由偏振分束片PBS分別分為兩束光，再利用稜鏡和可移動的全反鏡將垂直偏振光束反射回原光路，從而得到新的兩束光，移動全反鏡R可改變光束的相對延時τ，從而改變相位差。這分出的四光束加上另一束頻率為ω4的連續光或脈衝光k4光束，總共得到k2、k2′、k3、k3′和k4五個入射光束。它們的入射方向在空間上相互滿足0.3°小夾角的波矢相位匹配條件，與反向傳播的k1光束匯聚於銣樣品池上。在選擇適當的泵浦場強度和特定的雷射束形成「方形盒」空間配置情況下，可以產生出同方向共存的四波混頻、六波混頻和八波混頻信號，也可產生不同角度出射的FWM和SWM。
文檔編號G02F1/35GK101364024SQ20081015118
公開日2009年2月11日 申請日期2008年9月28日 優先權日2008年9月28日
發明者宋建平, 張彥鵬, 張相臣, 李創社, 甘琛利 申請人:西安交通大學