基于量子相干诱导旋光效应的原子滤波方法及装置的制作方法

专利名称：基于量子相干诱导旋光效应的原子滤波方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及弱光探测或者光子计数技术领域，更具体涉及一种基于量子相干诱导 旋光效应的原子滤波的方法，同时还涉及一种基于量子相干诱导旋光效应的原子滤波的装 置，适用于自由空间量子通信、(星-地)激光通信、荧光型(测温，测风)激光雷达等系统 在宽频谱的背景光中提取弱光或者光子信号，也适用于制作光储存器、高频光子计数器和 光子开关等量子器件。
背景技术：
利用原子滤波方法制作的高效率量子器件，已经应用在长距离(机-机、星-星) 激光通信演示、海洋温度测量、温度和风等大气特性的荧光型激光雷达探测等领域。由于在 量子通信里，使用nm带宽量级的干涉滤波片，大气空间的背景噪声(日光等)相对于携带 信息的光子信号具有较高光强和宽频谱范围的特性，携带信息的光子信号会淹没在日光背 景噪声中。如何减少自由空间量子通信中由背景光噪声引起的误码率，从而实现在日光环 境下大气空间背景条件探测携带信息的微弱光子信号，是方法或者技术上的挑战。针对本发明应用背景的已有相关文章和专利的技术方案如下1)从“使用原子滤光器的空间量子通信装置”[孙献平，李若虹，罗军，詹明生.， 中国发明专利号:ZL200310111370. 4]和“Free-space quantum keydistribution with Rb vapor filters，，[Xin Shan, Xianping Sun, Jun Luo, Zheng Tanand Mingsheng Zhan., Applied Physics Letter，89，191121 (2006)]可知A、技术方案——因为色散型原子滤光 器的 GHz带宽比干涉滤波片的nm带宽要窄 3个多数量级以上，对于自由空间量子通 信，选择使用色散原子滤光器抑制背景光噪声；B、其原理是利用的传统法拉第反常色散效 应——强的磁光作用使得信号光偏振面发生旋转；C、其结构是一对偏振面正交放置的格兰 棱镜中间放置一个蒸汽泡，蒸汽泡的外面加有磁场；D、存在的问题尽管实验演示表明在 量子通信里使用色散型原子滤光器是一个较好的选择，减少了通信误码率，量子通信系统 性能获得显著改进。但是，当接收光学与太阳相对、且不使用微孔空间滤波和时间窗口滤波 方法时，仍会增加误码率，影响安全密钥的获取。2)为了解决上述问题，在“喇曼光放大的原子滤波方法及装置”[单欣，孙献平， 罗军，詹明生，中国发明专禾Ij 号:200810046862. 2]和"Ultranarrow-bandwidth atomic filter with Raman light amplification，，[Xin Shan, Xianping Sun, Jun Luo and Mingsheng Zhan.，Optics Letters, 3316 (2008), 1842.]建立了一种喇曼光放大的原子滤 波方法和装置，其具有超窄带宽(几十MHz)特性并能实现数十倍量级微弱信号的有效光放 大，从而更有效地抑制背景光噪声。A、技术方案——利用喇曼光放大方法，加上色散原子滤 波方法；B、其原理是将信号进行喇曼光放大，再使用色散原子滤光器抑制背景光，选通信号 光；C、其结构是一束耦合光和一个蒸汽泡组合用作喇曼光放大器，再加上一个蒸汽泡用 作色散原子滤波器，我们称为双泡型；D、存在的问题由于使用了双原子蒸汽泡组合方式， 复杂化了装置。
3)为了克服上述双泡型喇曼光放大的原子滤波方法中存在的问题，我们在发明专 利申请“集合式拉曼增强原子蒸汽滤波信号方法与装置”[孙献平，谭政，罗军，詹明生.，中 国发明专利申请号200910273490. 1]中实现了一种新方法，A、技术方案——使用单个蒸汽 泡，即用作喇曼光放大，也用作原子滤波；B、其原理是当耦合光与微弱信号光传输通过单个 蒸汽泡前一部分时，其的部分放置于磁场里)，能够满足原子受激拉曼增益条件，而通过蒸 汽泡后一部分时，因为外面加有磁场，又能满足原子蒸汽的法拉第反常色散条件，达到喇曼 光放大和色散原子滤波由一个蒸汽泡实现；C、其结构是在一个原子蒸汽泡外面部分地加 有磁场，信号光入射好出射蒸汽泡的两端放置有偏振面相互垂直的格兰棱镜；D、存在的问 题尽管单泡型方法简化了双泡型喇曼光放大的原子滤波的装置，获得了增益因子大于10 倍的光放大信号。与色散原子滤波器相比，保持了高抑制比等特性，但是，其滤波透射峰的 线宽减窄的不理想，仍然需要进一步地改进。另外，对于效率提高、性能改进、应用更广泛的目的，发展全新方法的超窄带宽原 子滤波总是迫切的需求。而且，随着量子信息技术的发展，在光速调控以及量子存储等领域 也需要一种不同于色散型滤波器的、工作频率可以调谐至原子共振频率的超窄带宽原子滤 波方法和装置。

发明内容
本发明的目的是在于提供了一种基于量子相干诱导旋光效应的原子滤波方法。方 法易行，具有超窄带宽，频率调谐快速、简易的特点。与其它激光光泵型原子滤波器相比，由 于本发明利用量子相干诱导旋光效应，极大减少了原子介质对信号光的吸收，因此，获得较 高的滤波信号透射率。本发明的另一个目的是在于提供了一种基于量子相干诱导旋光效应的原子滤波 的装置。结构简单，结构一体化、操作方便，获得了 IOMHz超窄带宽原子滤波透射峰，其接 近于Rb原子自然带宽，仅仅由于使用的商用激光器线宽所限制；也具有滤波工作波长在几 倍原子多普勒线宽范围内可高速调节、低功率耦合激光等特点，更具有实用性。为了实现上述目的，本发明采用了如下技术措施本发明提出在一个原子池里利用量子相干诱导旋光效应实现 IOMHz超窄带宽 原子滤波。使用弱光或者光子水平的信号光与耦合激光相交合束照射原子池，产生原子不 同跃迁之间的量子相干干涉，即电磁诱导透明，使信号光(弱光或者光子信号)在相干原子 介质里的吸收减少，从而显著提高透过率。在电磁诱导透明情况下，信号光(弱光或者光子 信号)透射谱具有超窄带宽和高透过率等特性。本发明在原子池前后的信号光(弱光或者 光子信号)光路上放置了一对格兰棱镜，用于抑制原子滤波通带外不满足电磁诱导透明条 件而未发生旋光效应的光噪声，原子池前的格兰棱镜用于控制、调节信号光(弱光或者光 子信号)的偏振；偏振分束器和λ/4波片用于调节耦合激光为左旋圆偏振。在原子简并磁 子能级结构中，当满足电磁诱导透明发生的条件时，圆偏振耦合光与线偏振信号光(弱光 或者光子信号)两种圆偏振成分分别构成Λ构型电磁诱导透明子系统的不对称性以及不 同磁子能级跃迁强度的差别，造成信号光(弱光或者光子信号)的两种不同圆偏振成分在 原子介质中折射率的差异，从而导致线偏振信号光(弱光或者光子信号)的偏振面发生旋 转。信号光出射原子池后，由位于后面的格兰棱镜进行光学选择偏振，相继通过光电探测或者光子计数获得原子滤波透射谱。同时，由于耦合激光的散射光和通带外的宽频谱背景光 不满足量子相干诱导旋光条件，其偏振方向未发生变化，不能传输通过光学选择偏振的格 兰棱镜，而被抑制。本发明提供一种基于量子相干诱导旋光效应的原子滤波(方法和装置)，利用该 发明的超窄带滤波特性，在自由空间量子通信系统中可以极大地降低通信过程中由背景光 噪声引起的误码率，以保证安全密钥的生成效率。相比于现有的原子滤波方法(例如， GHz带宽工作的法拉第反常色散原子滤波器)，本发明具有更加优越的滤波特性 IOMHz 量级的超窄带宽原子滤波和大于33%的透过率。本发明也可以用于远距离经典大气激光通 信，荧光型激光雷达等系统中，或者应用于制作光存储器、高频光子计数器和光子开关等量 子器件。-基于量子相干诱导旋光效应的原子滤波的方法，其步骤是(a)使用一个充有碱金属原子的原子池，其由里到外依次装有加热线圈、保温筒、 磁屏蔽室。一束圆偏振的耦合激光照射在原子池上；(b) 一束竖直线偏振的信号光(弱光或者光子信号)传输在原子池里与耦合激光 相交合束；(c)圆偏振耦合光与线偏振信号光(弱光或者光子信号)的两种圆偏振成分构成 的Λ构型电磁诱导透明子系统的不对称性以及磁子能级跃迁强度的差别，造成信号光(弱 光或者光子信号)的两种不同圆偏振成分在原子介质中折射率的差异，从而导致线偏振信 号光(弱光或者光子信号)的偏振面发生旋转，即量子相干诱导旋光效应；(d)相继，耦合激光与信号光(弱光或者光子信号)分束并出射到原子池外；(e)在信号光(弱光或者光子信号)光路上利用光学选择偏振方法分析信号光 (弱光或者光子信号)，同时，抑制耦合激光的散射光和滤波通带外宽频谱背景光；(f)最终由光电探测或者光子计数方式测量获得原子滤波信号。为了实现上述基于量子相干诱导旋光效应的原子滤波方法，本发明采用了基于量 子相干诱导旋光效应的原子滤波装置，该装置包括暗盒、激光锁频电路单元、两个λ/2波 片、两个偏振分束器、λ /4波片、数显温控器、磁屏蔽室、两个格兰棱镜、光探测器、半导体激 光器、反射镜、加热丝、原子池、保温筒、可调光衰减片、孔径可调光阑、准直镜、挡光板。其特 征在于本发明装置全部集成在一个暗盒里，激光锁频电路单元与半导体激光器相连，稳频 的半导体激光器发射出耦合激光与第一 λ/2波片相连，耦合激光传输通过第一 λ/2波片、 第一偏振分束器、λ/4波片、原子池、与挡光板相连，信号光(弱光或者光子信号)入射传输 通过安装在暗盒上的准直镜、孔径可调光阑的小孔、与可调光衰减片相连，信号光(弱光或 者光子信号)传输通过可调光衰减片、第二 λ/2波片、第二偏振分束器、反射镜、第二格兰 棱镜、原子池后，由于量子相干诱导旋光效应使得信号光(弱光或者光子信号)偏振面发生 旋转，相继，偏振方向发生改变后的信号光(弱光或者光子信号)传输通过第一格兰棱镜、 与光探测器相连接，数显温控器与加热丝相连，控制加热丝中电流的开和关，磁屏蔽室位于 保温筒、加热丝、原子池的外面，保证原子池中原子工作不受地磁场影响，保温筒位于加热 丝、原子池外，用于保证原子池内的工作温度，挡光板遮挡出射原子池的耦合激光，减少耦 合激光散射光对系统的影响。所述的耦合激光由激光锁频电路单元进行频率锁定于原子的超精细跃迁上，其偏振方向调节为左旋圆偏振。耦合激光沿着原子池光轴传输，在原子池中心与信号光(弱光 或者光子信号)相交合束并同向传播，并在原子池外分束。所述的信号光(弱光或者光子信号)调节为垂直线偏振的，与耦合激光以 0.1° "1°的小角度传输通过原子池、第一格兰棱镜，到达光探测器。所述的第一格兰棱镜与第二格兰棱镜的光轴同心放置，第一格兰棱镜设置与出射 原子池的信号光的偏振角度一致。所述的原子池内原子为碱原子，其外部由里到外依次装有加热丝、保温筒、磁屏蔽室。本发明-基于量子相干诱导旋光效应的原子滤波的具体技术方案如下(A)本发明装置主要由暗盒、激光锁频电路单元、两个λ/2波片、两个偏振分束 器、λ /4波片、数显温控器、磁屏蔽室、两个格兰棱镜、光探测器、半导体激光器、反射镜、加 热丝、原子池、保温筒、可调光衰减片、孔径可调光阑、准直镜、挡光板组成。(B)稳频的耦合激光通过第一 λ /2波片、第一偏振分束器和λ /4波片后，与信号 光(弱光或光子信号)以一个小的夹角共同入射到原子池内，在原子池内相交合束。耦合 激光出射原子池之后，被表面发黑的挡光板遮挡。(C)信号光(弱光或光子信号)入射依次通过准直镜、孔径可调光阑的小孔、可 调光衰减片、第二 λ /2波片和第二偏振分束器，经由反射镜改变方向传输通过第二格兰棱 镜，原子池以及第一格兰棱镜后由光电探测器进行测量。(D)本发明装置的原子池，缠绕有加热丝，放置在保温筒里，最外面是磁屏蔽室。原 子池内原子介质的工作温度通过数显温控器来控制和显示。(E)入射到本发明装置里的信号光(弱光或光子信号)功率范围从光子计数水平 到mW量级，进入原子池前，由第二格兰棱镜选择为竖直线偏振。(F)耦合激光的功率范围为μ W量级到100mW，耦合激光与信号光(弱光或光子信 号)以小角度在原子池内相交合束。(G)原子介质在左旋圆偏振的耦合激光照射下发生极化，使得与耦合激光共同满 足双光子共振条件的线偏振信号光(弱光或光子信号)的两种圆偏振成分产生不同折射 率，信号光在原子介质中传输一段距离后，其偏振面会发生一定角度的旋转。因此，出射原 子池后可以传输通过光学选择偏振的第一格兰棱镜，而频率位于滤波通带外的背景光以及 耦合光的散射光由于偏振方向未发生改变，则被第一格兰棱镜抑制。使用本发明-基于量 子相干诱导旋光效应的原子滤波方法与装置获得的实验透过谱如图3所示，最大透射率大 于33%，带宽 IOMHz。本发明-基于相干诱导旋光的原子滤波装置具有以下优点(1)利用了电磁诱导透明效应，减少原子池中原子介质对信号光(弱光或光子信 号)的吸收，达到了大于33%的滤波透射率。透过率与原子介质的数密度、耦合激光的光功
率等参数有关。(2)实验演示表明在整个滤波频率调节过程中，获得小于20MHz的超窄原子滤波 带宽，最窄为 10MHz，接近于原子的自然线宽。(3)本发明-基于量子相干诱导旋光效应的原子滤波透射峰调谐在原子多普勒吸 收峰范围内，不同于传统色散型滤波方法中透射峰远离原子共振频率，因此，具有更加广泛的应用领域。(4)使用较小功率的耦合光(< 20mW)方便地实现本发明-基于量子相干诱导旋 光效应的原子滤波；信号光的功率范围为单光子水平到mW量级。(5)可在几倍于原子多普勒带宽范围内( 2GHz)通过调节耦合光频率可实现原 子滤波透过峰的快速频率调谐；与现有色散型原子滤波相比，本发明具有超窄带宽，频率调谐简易、快速的特点。 与其它激光光泵型原子滤波器相比，由于本发明利用量子相干诱导旋光效应，极大减少了 原子介质对信号光的吸收，因此，获得较高的滤波信号透射率。本发明提供的基于量子相干诱导旋光效应的原子滤波(方法和装置)能有效地用 于在强的、宽频谱背景光(例如日光)条件下接收弱光或者光子信号，进一步提高了信噪比 和信号探测灵敏度，在自由空间量子通信、远距离大气激光通信、荧光型激光雷达领域都具 有广泛的应用前景，也可应用于建立光储存器、快速光开关或者光子计数器等量子器件。


图1为一种基于量子相干旋光效应的原子滤波实验演示中的Rb原子能级示意图。图中耦合激光激发原子池中Rb原子5S1/2(F = 2) — 5P1/2(F' = 2)跃迁，信号光 的两种圆偏振成份σ +和σ _作用于Rb原子5S1/2(F = 1) — 5P1/2(F' = 2)跃迁。利用在 简并磁子能级结构中圆偏振耦合光与线偏振探测光构成的Λ构型电磁诱导透明子系统的 不对称性、以及不同磁子能级跃迁强度的不同，造成探测光的两种不同圆偏振成分在介质 中折射率的差异，从而导致线偏振探测光的偏振面发生旋转。根据这种量子相干诱导旋光 效应，实现了本发明超窄带宽可调谐原子滤波。图2为一个实验演示原子介质电磁诱导透明测量获得的谱图。浅黑色谱线是原子多普勒吸收峰，用作波长的标定与参考。深黑色谱线是基于图 1给出的原子能级结构条件下，当耦合光与信号光同为正交的线偏振光时，作为研究检验测 量获得的原子介质电磁诱导透明谱线。此时，由于耦合激光的超精细能级光泵的作用，信号 光对应于Rb原子5S1/2(F = 1) — 5P1/2(F' = 2)跃迁的强度会增大。图3为一个实验演示获得本发明基于量子相干旋光效应的原子滤波的测量谱上面的谱线为Rb原子Dl线多普勒吸收峰，用于标定信号光的频率扫描范围。图 下面的谱线是使用本发明装置获得的原子滤波透射谱，透过峰的最小带宽为 10MHz，透过 率为33%。当改变耦合光的频率时，可以实现信号透过峰在几倍多普勒线宽范围内调谐。图4为一种基于量子相干旋光效应的原子滤波装置的示意图。其中暗盒1、激光锁频电路单元2、第一 λ /2波片3、第一偏振分束器4、λ /4波片 5、数显温控器6、磁屏蔽室7、第一格兰棱镜8、光探测器9、半导体激光器10、第二格兰棱镜 11、反射镜12、第二偏振分束器13、第二 λ/2波片14、加热丝15、原子池16、保温筒17、耦 合激光18、可调光衰减片19、孔径可调光阑20、准直镜21、信号光22、挡光板23。
具体实施例方式下面结合附图作进一步的详细描述。首先描述本发明各部件的材料、形状和结构
a)暗盒1由铝板材料制作的长方形盒，内由化学发黑处理，部件安装固定螺丝孔 全部为盲孔，本发明装置工作时，除从暗盒1上安装的准直镜21里伴随信号光22进入的散 射光之外，其它方向外界光不会进入；b)激光锁频电路单元2，公司和型号为Toptica-LIR-110，用于对产生耦合激光18 的半导体激光器10 (公司和型号为Toptica-DL-100)的频率进行锁定；c)第一入/2波片3，为&)1!吐6壯-45-7184半波片，用于改变耦合激光的偏振方 向。d)第一偏振分束器4，公司和型号为Coheren-44-4505，用于选择透过某一偏振的 激光，并与第一 λ /2波片配合调节耦合激光18的功率。e) λ /4波片5，为Coherent 45-7002四分之一波片，用于将竖直线偏振的耦合激 光18变为左旋圆偏振。f)数显温控器6，公司和型号为0MR0N-E5CN，用于对原子池16进行温度测量、控制 与显示，以保证原子介质工作的原子数密度；g)磁屏蔽室7由一层或者多层薄膜合金材料制作，圆柱形设计，尺寸是根据保温 筒17的大小而确定的；保证原子池16里原子介质工作在一个不受外界磁场影响的环境里。h)第一格兰棱镜8，公司和型号为Coherent-43-6782，用于信号光(弱光或者光子 信号)22的偏振选择。i)光探测器9是对于光探测方式的不同而选择的，在光电探测方式时使用光二 极管(公司和型号HamamatSu-S5821)、光电倍增管(公司和型号卓立汉光-PMTH-Sl R5108)等，在光子计数方式时使用单光子计数模块(公司和型号EG&G-SPCM-AQ-14Y)加上 NI-PCI-6602计数/定时器板卡等；j)半导体激光器10是一个购买的商业器件或者自制器件，在申请人的实验演示 中使用了 Toptica-DL-100激光器，795nm工作波长， MHz量级的激光线宽；k)第二格兰棱镜11，公司和型号为Coherent-43-6782，用于选择偏振的信号光 22。1)反射镜12，在中科院合肥物资科学研究院定制，镀795nm波长介质反射膜，用于 改变信号光(弱光或者光子信号)22的传输方向。m)第二偏振分束器13，公司和型号为Coherent-44-4505，用于选择传输某一偏振 的激光，并与置于其前的第二 λ/2波片14 (公司和型号Coherent-45-7184)配合调节信 号光(弱光或者光子信号)22的功率。η)第二 λ /2波片14，为Coherent-45-7184半波片，用于改变信号光(弱光或者 光子信号)22的偏振方向。ο)加热丝15为使用康铜丝自制成铠装双绕型，环绕在原子池16外面，用来对原子 池16进行温控以改变原子数密度；由数显温控器6对其进行开关、控制。ρ)原子池16根据选择的原子介质类型而确定，由派瑞克斯玻璃、95玻璃、石英玻 璃或者不锈钢制作，形状为圆柱、方形或者长方形；入射和出射端窗为相互平行的平板玻 璃；根据滤波波长的需要，原子池内充有波长相对应的碱金属。q)保温筒17是依照原子池16确定其结构的，使用聚四氟乙烯塑料或者环氧树脂 材料制作。
r)耦合激光18，在实验演示中使用的是Toptica-DL-lOO半导体激光器10产生， 工作波长为795nm，线宽为MHz量级。s)可调光衰减片19，在实验演示中使用Coherent公司生产的可调中性密度衰减 片。t)孔径可调光阑20用于空间滤波、信号光束大小调节。u)准直镜21，使用多个光学镜片组合自制，用于接收信号光，并且能够较大范围 的调节、聚焦信号光(弱光或者光子信号)22。ν)信号光(弱光或者光子信号)22，在实验演示中使用Toptica-DL-100半导体激 光器10产生，795nm的工作波长，MHz量级的线宽， 几十GHz的扫描范围。w)挡光板23，使用化学发黑的铝板制作，用于阻挡传输通过原子池22的耦合激光 18，防止其散射光对于系统的影响。以上各零部件均能由本领域的普通技术人员制备或市场购置。—种基于量子相干诱导旋光效应的原子滤波装置，它包括暗盒1、激光锁频电路单 元2、第一、第二 λ /2波片3、14、第一、第二偏振分束器4、13、λ /4波片5、数显温控器6、磁 屏蔽室7、第一、第二格兰棱镜8、11、光探测器9、半导体激光器10、反射镜12、加热丝15、原 子池16、保温筒17、可调光衰减片19、孔径可调光阑20、准直镜21、挡光板23。其连接关系 是本发明装置的所有零部件全部放置在一个暗盒1里，激光锁频电路单元2与半导体激光 器10相连，稳频的半导体激光器10产生的耦合激光与第一 λ /2波片3相连，耦合激光传 输通过第一 λ/2波片3、第一偏振分束器4、λ/4波片5、原子池16、与挡光板23相连，信 号光(弱光或者光子信号)从安装在暗盒1上的准直镜入射，传输通过准直镜21、孔径可 调光阑的小孔、与可调光衰减片19相连，信号光22(弱光或者光子信号)传输通过可调光 衰减片19、第二 λ /2波片14、第二偏振分束器13、反射镜12、第二格兰棱镜11、原子池16 后，由于量子相干诱导旋光效应使得信号光22 (弱光或者光子信号)的偏振面发生旋转，相 继，偏振旋转后的信号光22 (弱光或者光子信号)传输穿过第一格兰棱镜8、与光探测器9 相连接，数显温控器6与加热丝15相连，控制加热丝15中电流的开和关，磁屏蔽室7位于 保温筒17、加热丝15、原子池16的外面，保证原子池原子处于极弱磁场内，保温筒17位于 加热丝15、原子池16外，保证原子池16的原子工作密度，挡光板23遮挡耦合激光，减少耦 合激光散射对系统的影响。所述的耦合激光18由激光锁频电路单元2将频率锁定于原子的超精细跃迁上，其 偏振方向调节为左旋圆偏振。耦合激光18沿着原子池16同心光轴传输，在原子池16中心 与信号光22相交合束并同向传播，然后分束出射到原子池16外。所述的入射信号光22调节为垂直线偏振的，以与耦合激光18以0.1° -1°的小 角度传输通过原子池16、第一格兰棱镜8，到达光探测器9。所述的第一格兰棱镜8与第二格兰棱镜11的光轴同心放置，第一格兰棱镜8设置 与出射原子池16的信号光22的偏振角度一致。所述的原子池16内原子范围为碱原子，其外部由里到外依次装有加热丝15、保温 筒17、磁屏蔽室7。本发明基于相干诱导旋光的原子滤波装置的工作流程为信号光(弱光或光子信号)22和耦合激光18同向传输入射原子池16。第一偏振分束器4和λ /4波片5选择耦合激光18的偏振为左旋圆偏振；第二偏振分束器13和第二 格兰棱镜11保证信号光(弱光或光子信号)22的偏振为竖直线偏振。通过调节反射镜12 使信号光(弱光或光子信号)22与耦合激光18以一个小的夹角入射原子池16，在其中心相 交合束，调节反射镜12使信号光(弱光或光子信号)22和耦合激光18在原子池16内的交 叠距离尽量的长。设置第一格兰棱镜8和第二格兰棱镜11的光轴形成一定角度，从而抑制 滤波通带外的背景噪声、耦合激光在原子池壁和原子介质产生的散射光。本发明装置实现 了超窄带宽滤波，从背景噪声中提取真实信号光(弱光或光子信号)，滤波通带之外的噪声 抑制比达到 105。下面结合附图对本发明基于相干旋光的原子滤波方法作详细说明，其步骤是(a)由激光锁频电路单元2对半导体激光器10进行稳频，半导体激光器10发射耦 合激光18，其经过第一 λ/2波片3和偏振分束器4，以及λ/4波片5后调节为左旋圆偏振 的，照射原子池16。(b)使用的原子池16外加有磁屏蔽室7，位于屏蔽地磁的恒定微弱磁场里的原子 介质被左旋圆偏振的耦合激光18照射后，原子介质被极化。(c)信号光(弱光或者光子信号)22经过暗盒1上的准直镜21入射进入本发明 装置后，传输依次通过孔径可调光阑20、可调光衰减片19、第二 λ/2波片14和第二偏振分 束器13，由反射镜12改变光束传输方向，再经过第二格兰棱镜11后变为竖直线偏振光，相 继，入射到原子池16里。(d)竖直偏振的信号光(弱光或者光子信号)22以一个与圆偏振的耦合激光18的 0.1° -1°夹角同向传输通过原子池16，并在原子介质里相交合束。(e)当信号光(弱光或者光子信号)22和耦合激光18的频率在原子介质里满足双 光子共振条件时，由于量子相干诱导旋光效应，信号光(弱光或者光子信号)22的偏振面发 生旋转。(f)最后，信号光(弱光或者光子信号)22传输通过第一格兰棱镜8后，由光探测 器9进行光电探测或者光子计数。由于耦合激光18的散射光和背景光偏振方向不满足第 一格兰棱镜8的光学选择偏振条件，在其过程中被第一格兰棱镜8抑制。而耦合激光18与 竖直偏振的信号光(弱光或者光子信号)22之间有一个夹角，在原子池16里相交合束之后 分束，出射传输被涂黑的挡光板23阻挡。根据上述本发明方法，并以使用碱金属铷(Rb)原子蒸汽为例，对本发明所提供的 基于量子相干旋光效应的原子滤波(方法和装置)作进一步的详细描述。在实验演示中，本发明-基于量子相干诱导旋光效应的原子滤波的所有组件一起 安装在暗盒1里。激光锁频电路单元2将半导体激光器10发射的耦合激光18锁定在选择 的Rb原子谱线上，耦合激光18的带宽为MHz量级，功率在O-IOOmW范围内可调节，波长调 谐在碱金属铷(Rb)原子的Dl共振谱线795nm附近。第一 λ /2波片3和第二 λ /2波片14的工作波长为795nm。分别用于改变耦合激 光18和信号光(弱光或者光子信号)22的偏振方向。λ/4波片5使得耦合激光18调节为 左旋圆偏振的。第一偏振分束器4和第二偏振分束器13的透光面镀有795nm增透膜，消光比为 1000 1，分别用于选择偏振的耦合激光18和信号光(弱光或者光子信号)22传输。
第一格兰棱镜8和第二格兰棱镜11的消光比为105，透光面镀795nm增透膜，一束 工作在795nm波长的信号光(弱光或者光子信号)22传输从第二格兰棱镜11和第一格兰 棱镜8的轴心通过。反射镜12为795nm镀膜，调节其角度，使795nm的信号光(弱光或者光子信号)22 准确地入射原子池，在那里，竖直线偏振的信号光(弱光或者光子信号)22与左旋圆偏振的 耦合激光18相交合束。实验演示中，原子池16里的Rb原子蒸汽作为旋光介质，Rb原子的密度、磁场环境、 原子池的结构等都会影响旋光效率。数显温控器6通过加热丝15控制原子池16中工作的 Rb原子蒸汽密度，保温筒17减少原子池16的热损失，磁屏蔽室7保证了 Rb原子蒸汽工作 在一个要求的微弱磁场环境，使之不受地磁场的影响。原子池16的端面为平板玻璃热熔贴 面且保持完全平行的圆柱形派莱克斯(Pyrex)玻璃泡，泡长范围为20mm-200mm，直径范围 为10mm-50mm，泡内充有几mg碱金属铷(Rb)。调节孔径可调光阑20的小孔大小，能够对入射的信号光(弱光或者光子信号)22 的光束进行整形。信号光(弱光或者光子信号)22和耦合激光18同向传输照射在原子池7，在Rb原 子蒸汽里交叉合束，当它们的频率满足双光子共振条件时，由于量子相干诱导旋光效应，信 号光(弱光或者光子信号)22的偏振面发生旋转。在原子池出射的信号光(弱光或者光子 信号)22传输通过光学选择偏振的第一格兰棱镜8，由响应波长包含795nm的光探测器进行 光电转换或者光子计数，获得超窄带宽的原子滤波透过峰，而耦合激光18的散射光和背景 光不满足第一格兰棱镜8的光学选择偏振条件，则被抑制。耦合激光18出射原子池后与信 号光(弱光或者光子信号)22分束，最后达到挡光板23被阻挡。上述描述中均以碱金属铷(Rb)原子滤波为例，在具体实施过程中，本发明涉及其 它碱金属原子-钾(K)、钠(Na)和铯(Cs)，需要分别选择相应于碱原子谱线的激光锁频电 路单元、激光器、工作波长镀膜的光学器件、磁屏蔽室、原子池结构器件、和原子数密度等参 数。
权利要求
1.一种基于相干诱导旋光效应的原子滤波的方法，其步骤是(a)使用一个充有碱金属原子的原子池，由里到外依次装有加热丝、保温筒、磁屏蔽室， 一束圆偏振的耦合激光照射在原子池上；(b)一束竖直线偏振的信号光入射传输在原子池里与耦合激光交叉合束；(c)圆偏振的耦合光与线偏振的信号光两种圆偏振成分构成的Λ构型电磁诱导透明 子系统的不对称性以及磁子能级跃迁强度的差别，造成信号光的两种不同圆偏振成分在 原子介质中折射率的差异，导致线偏振信号光的偏振面发生旋转，即量子相干诱导旋光效 应；(d)相继，耦合激光与信号光分束并出射到原子池外；(e)在信号光光路上利用光学选择偏振方法分析信号光，同时，抑制耦合激光的散射光 和原子滤波通带外的宽频谱背景光；(f)最终由光电探测或者光子计数方式测量获得原子滤波信号。
2.权利要求1所述的一种基于量子相干诱导旋光效应的 原子滤波的装置，它包括暗盒(1)、激光锁频电路单元(2)、第一 λ/2波片(3)、第一偏振分束器(4)、数显温控器(6)、半导体激光器(10)、原子池(16)、挡 光板(23)，其特征在于所有另部件全部放置在暗盒(1)里，激光锁频电路单元(2)与半导 体激光器(10)相连，稳频的半导体激光器(10)发射出耦合激光(18)与第一波片(3) 相连，耦合激光(18)传输依次通过第一Α/2波片(3)、第一偏振分束器(4)、λ/4波片(5)、 原子池(16)、与挡光板(23)相连，信号光(22)由安装在暗盒(1)上的准直镜(21)入射，传 输通过准直镜(21)、孔径可调光阑(20)的小孔、与可调光衰减片(19)相连，信号光(22)传 输依次通过可调光衰减片(19)、第二；1/2波片(14)、第二偏振分束器(13)、反射镜(12)、第 二格兰棱镜(11)后，入射到原子池(16)，偏振方向发生改变后的信号光(22)传输通过原子 池(16)里的原子介质、第一格兰棱镜(8)、与光探测器(9)相连接，数显温控器(6)与加热丝 (15)相连，磁屏蔽室(7)位于保温筒(17)、加热丝(15)、原子池(16)的外面，保温筒(17)位 于加热丝(15)、原子池(16)外。
3.根据权利要求2所述的一种基于量子相干诱导旋光效应的原子滤波的装置，其特征 在于所述的耦合激光(18)由激光锁频电路单元(2)将频率锁定于原子的超精细跃迁上， 其偏振方向调节为左旋圆偏振。
4.根据权利要求2所述的一种基于量子相干诱导旋光效应的原子滤波的装置，其特征 在于所述的入射信号光(22)调节为垂直线偏振，以与耦合激光(18)以0. I0-I0的角度。
5.根据权利要求2所述的一种基于量子相干诱导旋光效应的原子滤波的装置，其特征 在于所述的第一格兰棱镜(8)与第二格兰棱镜(11)的光轴同心放置，第一格兰棱镜(8)设 置与出射原子池(16)的信号光(22)的偏振角度一致。
6.根据权利要求2所述的一种基于量子相干诱导旋光效应的原子滤波的装置，其特征 在于所述的原子池(16)内原子范围为碱原子，其外部由里到外依次装有加热丝(15)、保 温筒(17)、磁屏蔽室(7)。
全文摘要
本发明公开一种基于量子相干诱导旋光效应的原子滤波方法及装置，其步骤(a)耦合激光照射原子池；(b)信号光在原子池里与耦合激光交叉合束；(c)与原子介质相互作用导致信号光偏振面旋转；(d)耦合激光与信号光分束并出射到原子池外；(e)光学选偏方法分析信号光；(f)获得滤波信号。半导体激光器与激光锁频电路单元相连，发射的耦合激光通过波片、偏振分束器、波片、原子池、与挡光板相连，信号光通过可调光衰减片、波片、偏振分束器、反射镜、格兰棱镜、原子池，由量子相干诱导旋光后再传输通过格兰棱镜、与光探测器相连，磁屏蔽室位于保温筒、加热丝、原子池外。方法易行，具有超窄带宽，频率快速调谐，结构简单，更具有实用性。
文档编号G02F1/09GK102147538SQ20111007138
公开日2011年8月10日 申请日期2011年3月24日 优先权日2011年3月24日
发明者周欣, 孙献平, 罗军, 詹明生, 谭政 申请人:中国科学院武汉物理与数学研究所