一种利用频率调制在光晶格里面实现弗洛凯设计的装置

1.本发明属于光学仪器领域，具体涉及到通过频率调制实现对囚禁在光晶格里的冷原子量子参考体系进行弗洛凯设计的装置。


背景技术：

2.目前，将冷原子囚禁在由驻波光场形成的光晶格势阱里可以抑制多普勒频移和光子反冲频移对原子谱线的展宽，具备实现毫赫兹量级原子跃迁谱线的潜力，在量子频标、量子计算、量子模拟和精密测量等领域用着非常重要的应用。弗洛凯设计能够修饰原子的内部能级和布洛赫振动能带结构，广泛运用于量子模拟和量子调控领域，如模拟hubbard哈密顿量、人工规范场、拓扑光晶格等。弗洛凯设计通过周期调制量子系统参数，使被操控对象感受到周期的扰动。在这种情况下，体系哈密顿量是周期含时的，并可通过弗洛凯定理对体系的波函数进行精确求解。尽管弗洛凯设计已经在许多平台上得到展示，包括超导量子比特和超冷原子等。但在光晶格里面的应用目前仅限于周期驱动晶格反射镜的情况（通过调制晶格光反射镜的压电陶瓷来调制晶格反射光的相位）。即在光晶格里面，传统的弗洛凯设计技术无法通过调制晶格光频率的方式来实现，很难进行多参数调制且调制幅度与晶格反射镜到原子的距离无关（无法利用该特点进行精密测量）。此外，传统的弗洛凯设计无法使调制频率与调制幅度分别独立地操控弗洛凯准粒子携带的能量和数量。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足,提供一种调制频率与调制幅度相互独立的，可以更加灵活地设计系统有效哈密顿量的利用频率调制在光晶格里面实现弗洛凯设计的装置。
4.解决上述技术问题采用的技术方案是：一种利用频率调制在光晶格里面实现弗洛凯设计的装置，在外腔半导体激光器的选模光栅上粘贴有压电陶瓷，外腔半导体激光器的光出射方向依次设置有λ/2玻片、第一凸透镜、第一格兰—泰勒棱镜，第一格兰—泰勒棱镜光出射方向上设置有真空腔体，光晶格俘获的冷原子样品设置于真空腔体内，真空腔体光出射方向上依次设置有第二格兰—泰勒棱镜、第二凸透镜、第一声光调制器、第二声光调制器、λ/4玻片、第三凸透镜、反射镜，多通道任意函数或者多通道任意波形发生器输出三组电子学信号e1、e2和e3，电子学信号e1输入压电陶瓷，电子学信号e3输入第一声光调制器，电子学信号e2输入第二声光调制器。
5.本发明的第一声光调制器取+1级衍射光，第二声光调制器取-1级衍射光。
6.本发明的电子学信号e1为频率小于2 khz的低频信号，器幅值取0～4福特任意值，且采用任意波形，电子学信号e2、电子学信号e3为正弦信号且频率和相位完全一致，分别作为第一声光调制器和第二声光调制器的输入信号。
7.本发明的电子学信号e2或电子学信号e3的频率调制波形为三角波。
8.本发明的电子学信号e1为多个正弦信号的叠加，实现对特定弗洛凯边带激发率的
操控，当e1分别为0.065sin(ωst)+0.345sin(2ωst)+0.243sin(3ωst)和e1= 0.005sin(ωst)+0.005sin(2ωst)+0.16sin(3ωst)时，可使载波激发率保持一致，同时二阶边带的激发率分别为0和0.17，即单独操控二阶边带激发率。
9.本发明的电子学信号e1设置成幅值为零的直流信号，电子学信号e2、电子学信号e3为正弦信号，分别作为第一声光调制器和第二声光调制器的输入信号，电子学信号e2或电子学信号e3的信号类型为频率调制信号，且电子学信号e2、电子学信号e3的中心频率一致。
10.本发明的外腔半导体激光器的中心波长为λ
l
=813.427 nm，电子学信号e1为正弦信号，表示为e1=w1sin(ωst)，其中ωs=2π
×
100 hz为调制频率，w1=1.5 v为信号幅值，电子学信号e2和电子学信号e3均为正弦信号，表示为e2=e3=v
r sin(2πνrt)，其中vr=0.4 v为信号幅值，νr=80 mhz为信号频率。
11.本发明的外腔半导体激光器的中心波长为λ
l
=813.427 nm，电子学信号e1为幅值为零的直流信号或者无任何信号，电子学信号e2和电子学信号e3均为正弦信号，e2=vrsin(2πνrt)，e3=vrsin(2π(νr+νm)t)；其中vr=0.4 v为信号幅值，νr=80 mhz为信号中心频率，νm为三角波形调制信号，可表示为：其中νa为调制幅度，ts=1/νs为调制周期，νs为调制频率。
12.由于本发明实现的弗洛凯设计可使弗洛凯准粒子所携带的能量仅由调制频率决定，而弗洛凯准粒子的数量仅由调制幅度决定。该现象在原子光谱表现为：当光与原子的耦合强度不变时，原子光谱的弗洛凯边带频率间距仅与调制频率相关，而弗洛凯边带的数量仅与调制幅度相关。传统的调制反射镜有效调制幅度与反射镜到光晶格中心位置的距离无关，而本发明中通过方式（ⅰ）实现的弗洛凯设计可使有效调制幅度与反射镜到光晶格中心位置的距离成正比，即反射镜距离光晶格中心越远，有效调制幅度越大，即在其他参数不变的情况下，表现为弗洛凯边带越多，这个特点使得本发明可用于电压或者频率等物理量的精密测量。
附图说明
13.图1为本发明利用频率调制在光晶格里面实现弗洛凯设计的原理图。
14.图2为本发明调制晶格入射光频率实现弗洛凯设计获得的原子光谱。
15.图3为本发明调制晶格反射光频率实现弗洛凯设计获得的原子光谱。
16.图中：1、压电陶瓷；2、外腔半导体激光器；3、λ/2玻片；4、真空腔体；5、光晶格俘获的冷原子样品；6、λ/4玻片；7、反射镜；8、多通道任意函数或者多通道任意波形发生器；l1、第一凸透镜；l2、第二凸透镜；l3、第三凸透镜；gp1、第一格兰—泰勒棱镜；gp2、第二格兰—泰勒棱镜；a1、第一声光调制器；a2、第二声光调制器。
具体实施方式
17.下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
18.实施例1在图1中，本发明涉及的一种利用频率调制在光晶格里面实现弗洛凯设计的装置, 外腔半导体激光器2用于提供晶格光，外腔半导体激光器2的入射光与其反射光在真空腔体4中心附近干涉，形成光晶格势阱并囚禁冷原子样品，在外腔半导体激光器2的选模光栅上粘贴有压电陶瓷，通过压电陶瓷1电压信号输入接口改变压电陶瓷1的长度进而改变外腔半导体激光器2的输出频率，外腔半导体激光器2的光出射方向依次设置有λ/2玻片3、第一凸透镜l1、第一格兰—泰勒棱镜gp1，第一格兰—泰勒棱镜gp1光出射方向上设置有真空腔体4，真空腔体4用于原子冷却与俘获，光晶格俘获的冷原子样品5设置于真空腔体4内，真空腔体4光出射方向上依次设置有第二格兰—泰勒棱镜gp2、第二凸透镜l2、第一声光调制器a1、第二声光调制器a2、λ/4玻片6、第三凸透镜l3、反射镜7。反射镜7镀有零度高反射薄膜，多通道任意函数或者多通道任意波形发生器8输出三组电子学信号e1、e2和e3，电子学信号e1输入到压电陶瓷1电压信号输入接口，电子学信号e3输入第一声光调制器a1，电子学信号e2输入第二声光调制器a2。第一声光调制器a1取+1级衍射光，第二声光调制器a2取-1级衍射光。本发明的光晶格由高度汇聚的晶格光及其反射光在真空腔体4中心处干涉形成，晶格光由外腔半导体激光器2产生，利用光晶格俘获冷原子样品，通过多通道任意函数或者多通道任意波形发生器8产生的信号对晶格光的频率进行调制，这样原子就会感受到周期变化势能，进而修饰原子与光晶格组成系统的哈密顿量。由于常用射频信号（兆赫兹到几万兆赫兹）远小于光频（几亿兆赫兹），普通的调制方式是无法对光晶格势阱造成明显扰动的。因此本发明核心在于晶格光频率调制的方式，即实现弗洛凯设计的方式包括以下2种：（ⅰ）多通道任意函数或者多通道任意波形发生器8产生的电子学信号e1为频率小于2 khz的低频信号，其幅值取0～4福特任意值，且采用任意波形，电子学信号e2、电子学信号e3为正弦信号且频率和相位完全一致，分别作为第一声光调制器a1和第二声光调制器a2输入信号。当电子学信号e1为普通正弦信号时，原子内态将劈裂成为一系列弗洛凯准能级，原子跃迁谱线将由一个峰（载波跃迁）分裂成多个弗洛凯边带。将电子学信号e1设置为特定正弦信号的叠加，可实现对特定弗洛凯边带激发率的操控，例如当e1分别为0.065sin(ωst)+0.345sin(2ωst)+0.243sin(3ωst)和e1=0.005sin(ωst)+0.005sin(2ωst)+0.16sin(3ωst)时，可使载波激发率保持一致，但二阶边带的激发率分别为0和0.17，即单独操控二阶边带激发率。
19.（ⅱ）多通道任意函数或者多通道任意波形发生器8产生的电子学信号e1设置成幅值为零的直流信号，电子学信号e2、电子学信号e3为正弦信号，分别作为第一声光调制器a1和第二声光调制器a2的输入信号，同时电子学信号e2或电子学信号e3的频率被三角波信号调制，且电子学信号e2、电子学信号e3的中心频率一致。
20.实施例2本实施例中，采用实施例1的装置在
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sr光晶格钟平台上演示本发明实现弗洛凯是设计的第ⅰ种方式，并展示利用弗洛凯设计模拟landau-zener-stuckelberg
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majorana哈密顿量。外腔半导体激光器2的中心波长为λ
l
=813.427 nm，为
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sr光晶格钟最常用到“魔术
波长”，此时钟跃迁（1s0, f=9/2
→3p0, f=9/2）基态1s0和激发态3p0会感受到相同光频移。光晶格的阱深在整个实验过程中都为90 er，其中er表示晶格光子的反冲能量。外腔半导体激光器2产生的晶格光从真空腔体4左侧的透光窗口入射，依次通过第一声光调制器a1、第二声光调制器a2后被反射镜7原路返回与入射光在光晶格俘获的冷原子样品5中心处干涉形成光晶格。反射镜7镀有高反射薄膜，而其他的光学器件镀有高透射薄膜。第一声光调制器a1、第二声光调制器a2分别取-1级和+1级衍射光。电子学信号e1为正弦信号，e1= w1sin(ωst)，其中ωs=2π
×
100 hz为调制频率，w1=1.5 v为调制幅度。电子学信号e2和电子学信号e3均为正弦信号，且e2=e3=vrsin(2πνrt)，其中vr=0.4 v为信号幅值，νr=80 mhz为信号频率。由于压电陶瓷1被额外施加了一个正弦信号，外腔半导体激光器2的输出频率就会随时间变化，使得原本的基态和激发态劈裂成一系列弗洛凯准能级。此时第n阶边带的光与原子的耦合强度可表示为ω0jn[a]，其中ω0为没有调制信号时载波的裸态耦合强度，为归一化的调制幅度，其中ωa表示调制幅度且正比于w1，ω
p
=4.292
×
10
14 hz表示钟激光的频率，l=0.3 m为晶格（或光晶格俘获的冷原子样品5）中心到晶格光反射镜7的距离，λ
l
=813.42 nm为晶格光的波长，c=2.988
×
10
8 m/s表示真空中的光速。本系统中，a=0.76w1，jn[.]表示n阶第一类贝塞尔函数。通过超稳钟激光（波长约为698.42 nm，激光器线宽约为1 hz）可对弗洛凯设计下钟跃迁谱线进行探测。如图2（a）和（b）所示，弗洛凯设计使得原本单个1s0（或3p0）态劈裂成一系列等间距分布的弗洛凯边带，即由单个跃迁峰劈裂成一系列弗洛凯边带。当ωs分别为2π
×
50 hz和2π
×
100 hz时，弗洛凯边带的间距发生变化（分别为50 hz和100 hz），但各阶边带的激发率保持不变，如图2（b）和（c）所示。
[0021]
实施例3本实施例中，采用实施例1的装置在
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sr光晶格钟平台上演示本发明实现弗洛凯是设计的第ⅱ种方式，并展示通过弗洛凯设计抑制浅晶格里面隧穿效应导致的谱线展宽。外腔半导体激光器2的中心波长为λ
l
=813.427 nm，其输出的光从真空腔体4左侧的透光窗口入射，依次通过第一声光调制器a1、第二声光调制器a2后被反射镜7原路返回与入射光在光晶格俘获的冷原子样品5中心处干涉形成光晶格。第一声光调制器a1、第二声光调制器a2分别取-1级和+1级衍射光。在冷原子样品制备阶段，光晶格的阱深为90 er，其中er表示晶格光子的反冲能量，随后将光晶格的阱深绝热地降低至9 er，此时的原子跃迁谱线将被隧穿效应展宽至1 khz左右，如图3实心方点所示。电子学信号e1为幅值为零的直流信号或者无任何信号。电子学信号e2和电子学信号e3均为正弦信号，e2=v
r sin(2πνrt)，e3=v
r sin(2π(νr+νm)t)；其中vr=0.4 v为信号幅值，νr=80 mhz为信号中心频率，νm为三角波形调制信号，νm可表示为：其中νa为调制幅度，ts=1/νs为调制周期，νs为调制频率。这样就导致晶格反射光的频率被三角波形调制，使原子感受到周期变化囚禁势能并达到修饰布洛赫能带色散的目的。当νa=13.7644 khz，νs=600 hz时，原子在晶格中的布洛赫能带的色散将与动量无关，即
原子在相邻格点隧穿导致的谱线展宽将被完全抑制，如图3空心圆点所示。图3的钟跃迁探测时间为100 ms，而经过弗洛凯设计后，浅晶格里面隧穿导致的1 khz的谱线展宽被抑制到8.1(5) hz，与100 ms对应的傅里叶极限线宽（8 hz）一致，表明当前参数下，弗洛凯设计完全抑制了隧穿对谱线的展宽。