一种利用微波辅助里德堡原子的宽频光吸收方法与流程

本发明涉及一种宽频光吸收方法，尤其涉及一种利用微波辅助里德堡原子的宽频光吸收方法。

背景技术：

宽频吸收器件在光电探测、光伏发电和光学隐身等方面有重要的应用。原子系统具有相干性强、干涉效应明显、阈值高、易制备等优点，广泛地应用于相干器件设计。里德堡原子，是原子中的一个电子被激发到主量子数较高的轨道上，即处于高激发态时的原子。里德堡原子对电场非常敏感，这是因为，主量子数为n的里德堡原子极化率正比于n⁷,场电离的电场强度阈值正比于n^-4，电偶极矩正比于n²，具有原子寿命长，电偶极矩大等特性，同时对磁场、电场变化敏感。当前在原子分子、光学物理等领域人们所感兴趣的很多实验中都会涉及到里德堡原子，但是现有的宽频吸收器件，要求使用环境比较苛刻，成本比较高，操作比较麻烦。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种利用微波辅助里德堡原子的宽频光吸收方法，它具有操作简单，成本低廉的优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用微波辅助里德堡原子的宽频光吸收方法，采用铷原子的四能级系统，其原子跃迁路径是5s1/2→5p3/2→53d5/2→54p3/2，具体步骤为：

提供一束激光作为探测光进入铷蒸气池，将所述探测光耦合铷原子基态跃迁5s1/2→5p3/2；

另外提供一束激光作为耦合光，与所述探测光相对，逆向进入铷蒸气池；

调节耦合光，使其锁定在铷原子里德堡态跃迁5p3/2→53d5/2,共振耦合；

铷原子基态跃迁和里德堡原子跃迁形成电磁感应透明窗口，透射光谱共振频率处出现透射峰；

提供微波信号，所述微波信号耦合铷原子里德堡态53d5/2→54p3/2之间的跃迁；

透射峰发生分裂，出现新的吸收峰，探测光的透射谱出现带宽可调宽频吸收特性；

使用光电探测器接收探测光信号，获得探测光的吸收谱线。

所述探测光为由第一外腔半导体激光器提供的780nm激光。

所述耦合光为由第二外腔半导体激光器提供的487nm-480nm激光。

所述耦合光为由第二外腔半导体激光器提供的480nm激光。

所述微波信号的频率范围为1ghz-15ghz。

本发明的有益效果：本发明所公开的光吸收方法与其他宽带吸收器相比，可以在室温、正常大气压的条件下工作，不需要严苛的环境条件，成本较低、操作简捷方便，适合大规模生产使用。

附图说明

图1为本发明的实验装置连接图；

图2为里德堡原子能级跃迁图；

图3为里德堡原子的吸收图像。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示为实现本发明的实验装置连接图，一种利用微波辅助里德堡原子的宽频光吸收方法，采用铷原子的四能级系统，其原子跃迁路径是5s1/2→5p3/2→53d5/2→54p3/2，如图2所示，具体步骤为：

由第一外腔半导体激光器提供的780nm激光作为探测光进入铷蒸气池，将所述探测光耦合铷原子基态跃迁5s1/2→5p3/2；

由第二外腔半导体激光器提供的480nm激光与所述探测光相对，逆向进入铷蒸气池；

调节耦合光，使其锁定在铷原子里德堡态跃迁5p3/2→53d5/2,共振耦合；

铷原子基态跃迁和里德堡原子跃迁形成电磁感应透明窗口，透射光谱共振频率处出现透射峰；

提供微波信号，微波信号的频率范围为1ghz-15ghz，微波信号耦合铷原子里德堡态53d5/2→54p3/2之间的跃迁；

透射峰发生分裂，出现新的吸收峰，探测光的透射谱出现带宽可调宽频吸收特性；

使用光电探测器接收探测光信号，获得探测光的吸收谱线。

铷原子基态跃迁5s1/2→5p3/2和铷原子里德堡态跃迁5p3/2→53d5/2两个跃迁过程形成电磁感应透明窗口耦合框架，所以会出现透射峰；加入微波信号，微波信号与铷原子里德堡态53d5/2→54p3/2之间的跃迁耦合后，探测光的透射谱出现带宽可调宽频吸收特性。

里德堡原子是铷原子的高激发态，主量子数n一般大于30，铷原子的基态为5s，铷原子的激发态为5p，铷原子的里德堡态为53d和54p，铷原子里德堡态简称为里德堡原子。

基于激光与物质相互作用的半经典理论，能够使用密度矩阵描述介质的各态的粒子数和相干性，通过求解密度矩阵薛定谔方程的稳态解，可以得到探测光的线性极化率χ：

n0是原子数密度，为1.4×10²⁷m^-3，δp是探测场跃迁的失谐量，δc是耦合场跃迁的失谐量，δmw是微波场跃迁的失谐量，ωp、ωc、ωmw分别是780nm探测光、480nm耦合光以及微波信号的拉比频率，γ21是态矢5p3/2到态矢5s1/2的衰减速率，γ31是态矢53d5/2到态矢5s1/2的衰减速率，γ41是态矢54p3/2到态矢5s1/2的衰减速率，i代表虚数信号，μ为介质磁导率，ε0为真空介电常数，其近似值为8.854187817×10^-12f/m，h为普朗克常数，其近似值为6.6260755×10^-34j·s。

通过公式(1)，可以得到吸收色散关系，取δc＝0、δmw＝0、γ21＝1、γ31＝0.01、γ41＝0，以δp为自变量，分别得到ωc＝ωmw＝0ghz、10ghz、15ghz时的吸收图像，如图3所示，当ωc和ωmw随比例增大时，吸收带宽随之增大。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种利用微波辅助里德堡原子的宽频光吸收方法，具体步骤为：提供一束激光作为探测光进入铷蒸气池，将所述探测光耦合铷原子基态跃迁；另外提供一束耦合光，与探测光相对，逆向进入铷蒸气池；调节耦合光，使其锁定在铷原子里德堡态跃迁，共振耦合；铷原子基态跃迁和里德堡原子跃迁形成电磁感应透明窗口，出现透射峰；微波信号耦合铷原子里德堡态之间的跃迁；透射峰发生分裂，探测光的透射谱出现带宽可调宽频吸收特性；使用光电探测器接收探测光信号，获得探测光的吸收谱线。本发明所公开的方法在室温、正常大气压的条件下工作，成本较低、操作简捷方便，适合大规模生产使用。

技术研发人员：彭延东;赵树材;周文鹏;杨艾红;李晨;汪金陵
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：2018.09.21
技术公布日：2018.12.14