專利名稱：集合式拉曼增強(qiáng)原子蒸汽濾光信號方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微弱光信號技術(shù)領(lǐng)域，更具體涉及一種集合式拉曼增強(qiáng)原子蒸汽濾光
信號的方法，同時還涉及集合式拉曼增強(qiáng)原子蒸汽濾光信號的裝置，具體適用于自由空間 量子通信、大氣激光通信和熒光型激光雷達(dá)等需要在強(qiáng)的、寬頻譜的背景光中提取微弱光 信號。
背景技術(shù)：
利用光子的偏振、相位或自旋態(tài)編碼經(jīng)典信息的量子通信在理論上具有絕對安全 性，其發(fā)展的趨勢是實現(xiàn)長距離、高效率的信息傳輸。全球化的量子通信可以通過地對星、 星對星的通信實現(xiàn)。由于大氣空間的背景光(日光、月光或星光)相對攜帶信息的單個光 子具有較高光強(qiáng)和寬頻譜范圍的特性。因此，在大氣空間背景條件探測攜帶信息的微弱光 子信號，減少傳遞信息過程中背景光噪聲產(chǎn)生的誤碼，是技術(shù)上面臨的一個挑戰(zhàn)。
作為一種高效的光學(xué)濾光器件，原子濾光方法已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用例如，大氣環(huán) 境中的經(jīng)典激光通信、海洋溫度的遙感測量、白天中間層大氣特性(溫度、風(fēng)速等)的熒光 型激光雷達(dá)探測等領(lǐng)域。在量子通信里，使用nm帶寬量級的干涉濾光片，攜帶信息的光子 信號會完全淹沒在日光背景噪聲中。如何實現(xiàn)全天候自由空間量子通信、減少背景光噪聲 產(chǎn)生的誤碼率？ GHz量級的原子濾光器提供了一個較好的選擇，它可以在日光背景噪聲 下實現(xiàn)微弱信號的窄帶傳輸。 中國發(fā)明專利"使用原子濾光器的空間量子通信裝置"[孫獻(xiàn)平，李若虹，羅軍，詹 明生.，專利號ZL200310111370. 4]禾P文獻(xiàn)"Free—space quantum keydistribution with Rb v即or filters" [Xin Shan，Xianping S皿，J皿Uio，Zheng Tanand Mingsheng Zhan.， Applied Physics Letter, 89， 191121 (2006)]指出，對于自由空間量子密碼通信，實驗演示 表明使用Rb原子濾光輔助探測方法能夠在大氣空間的背景光(燈光、星光、月光和黃昏時 日光)條件下對偏振編碼的單光子序列信號進(jìn)行成功測量，對量子通信系統(tǒng)有了顯著的改 進(jìn)。但是，同時指出當(dāng)光學(xué)接收望遠(yuǎn)鏡與太陽相對、且不使用微孔空間濾光和時間窗口濾 光方法時，使用現(xiàn)有原子濾光器的量子通信接收機(jī)探測到的背景光噪聲仍然會使誤碼率增 加，因此影響到安全密鑰的獲取效率，無法實現(xiàn)全天候的使用。 —個申請中的專利"喇曼光放大的原子濾波方法及裝置"[單欣，孫獻(xiàn)平，羅軍， 詹明生，中國發(fā)明專利申請?zhí)?00810046862.2]和文獻(xiàn)"Ultranarrow-bandwidth atomic filter with Raman light amplification" [Xin Shan， Xianping Sun， J皿 Luo and Mingsheng Zhan. ， Optics Letters,^16 (2008) ， 1842.]建立了一種喇曼光放大的原子濾 波方法和裝置，該系統(tǒng)由一個喇曼光放大原子蒸汽泡和一個原子色散濾光蒸汽泡組成，該 濾光裝置具有超窄帶寬(幾十MHz)特性并且能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)十倍量級微弱信號的有效光放大， 從而能夠更加有效地抑制背景光噪聲，提高微弱信號探測的信噪比。但是，由于使用了兩個 原子蒸汽泡的組合，這就需要裝備兩個獨立的溫度控制模塊(用于調(diào)節(jié)、控制和測量溫度， 使之工作在合適原子數(shù)密度)來分別匹配兩個原子蒸汽泡的工作參數(shù)，從而增加了裝置的
4復(fù)雜程度。因此，建立一種全新的增強(qiáng)原子蒸汽濾光信號方法與裝置是迫切需要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在于提供了一種集合式拉曼增強(qiáng)原子蒸汽濾光信號的方法。微 弱信號光傳輸通過單個原子蒸汽泡，既需要滿足原子受激拉曼(Raman)增益條件，又必須 滿足原子蒸汽的法拉第(Faraday)反常色散條件，在大氣空間的背景光(日光、月光或星 光)條件下，使用單個原子蒸汽泡極大地增強(qiáng)微弱信號光的相對強(qiáng)度同時實現(xiàn)超窄帶濾光 通道。方法易行，操作方便、且具有信號增強(qiáng)/濾光雙重功效的特性。 本發(fā)明的另一個目的是在于提供了一種實現(xiàn)集合式拉曼增強(qiáng)原子濾光信號方 法的裝置。在單個原子蒸汽泡的部分尺寸上外加磁場，設(shè)計無磁場部分為原子受激拉曼 (Raman)增益區(qū)，設(shè)計加有磁場部分為原子蒸汽的法拉第(Faraday)反常色散區(qū)；也設(shè)計 了用于光學(xué)選擇偏振的一對光軸相互垂直的格蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡，允許增 強(qiáng)的信號光通過，而抑制超窄帶(《2GHz)外的背景光噪聲；結(jié)構(gòu)與使用簡單，主要器件 僅僅包括了一個部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡和一對偏振相互垂直放置的格蘭湯姆森 (Glan-Thompson)棱鏡；具有信號增強(qiáng)/濾光雙重功效，與現(xiàn)有原子濾光器相比，本發(fā)明裝 置獲得原子蒸汽濾光信號的相對強(qiáng)度增強(qiáng)十倍以上，極大地提高了濾光透過率，同時具有 濾光工作波長可調(diào)( GHz范圍)、和高抑制比( 105)等特點。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)措施 本發(fā)明提供集合式拉曼增強(qiáng)原子蒸汽濾光信號的方法及裝置，利用這種方法和裝 置，可以極大地降低通信過程中由背景光噪聲引起的誤碼率，以保證安全密鑰的生成效率。 相比于現(xiàn)有的原子濾光方法，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、以及更加優(yōu)越的濾光特性，不但可以用 于經(jīng)典大氣激光通信，熒光型激光雷達(dá)等領(lǐng)域中，也具有能夠直接在自由空間量子通信系 統(tǒng)中使用的獨特性。 利用傳輸光纖本身作為增益介質(zhì)，并通過耦合激光產(chǎn)生拉曼過程實現(xiàn)對光纖窗口 內(nèi)任一波長信號光的放大，是光纖拉曼放大器的工作原理。本發(fā)明與此完全不同提出了在 單個原子蒸汽泡里集合利用原子受激拉曼(Raman)增益和法拉第(Faraday)反常色散效應(yīng) 兩個特性去獲得增強(qiáng)原子蒸汽濾光信號的方法。使用一束抽運(yùn)激光作用到部分尺寸外加磁 場原子蒸汽泡上，在無磁場部分的原子蒸汽里改變了原子兩個基態(tài)能級上粒子數(shù)的布居， 從而使得原子在微弱信號光波長處的極化率發(fā)生變化，并引起入射微弱信號光的折射率變 化，通過原子躍遷的相干效應(yīng)導(dǎo)致極大增強(qiáng)微弱信號光的相對強(qiáng)度；相繼，由于部分外加了 磁場區(qū)域里原子蒸汽的法拉第(Faraday)反常色散效應(yīng)，使得與原子蒸汽相互作用的被增 強(qiáng)信號光偏振方向發(fā)生90。的偏轉(zhuǎn)；通過光學(xué)選擇偏振，抽運(yùn)激光的散射光和通帶外的寬 頻譜背景光(日光)都被抑制，而僅僅增強(qiáng)的信號光能夠被通信接收機(jī)里的一個光電探測 器測量，達(dá)到原子蒸汽濾光信號相對強(qiáng)度增強(qiáng)的目的。 與現(xiàn)有的原子濾光器件相比，基于本發(fā)明方法的裝置可以有效地增強(qiáng)原子蒸汽濾 光信號的相對強(qiáng)度，它的單通道信號增強(qiáng)的工作模式能夠進(jìn)一步減小強(qiáng)的、寬頻譜背景光 (日光等)對微弱信號光探測的影響。因此，提高量子通信系統(tǒng)的接收效率(即減少通信誤 碼率)并且使實現(xiàn)全天候的自由空間量子通信成為可能。 本發(fā)明采用了在一個部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡上集合原子受激拉曼(Raman)增益和法拉第(Faraday)反常色散效應(yīng)兩個特性去獲得增強(qiáng)原子蒸汽濾光信號的 方法，一種集合式拉曼增強(qiáng)原子蒸汽濾光信號的方法，其步驟是 (a)使用一個部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡， 一束水平偏振的抽運(yùn)激光照射在 無磁場區(qū)域的原子蒸汽上，調(diào)節(jié)其相對于微弱信號光在一個失諧頻率上，改變了蒸汽泡內(nèi) 原子能級上的粒子布居數(shù)，使原子發(fā)生極化； (b) —束豎直偏振的微弱信號光與抽運(yùn)激光交叉合束后一起傳輸通過極化后的原 子蒸汽時，其折射率發(fā)生變化； (c)抽運(yùn)激光和微弱信號光的頻率同時滿足原子虛能級雙光子共振條件，微弱信 號光的相對強(qiáng)度經(jīng)過原子受激拉曼(Raman)增益過程在原子蒸汽泡的無磁場區(qū)域獲得增 強(qiáng)； (d)相繼，抽運(yùn)激光與被增強(qiáng)的信號光分束并一起傳輸通過原子蒸汽泡外加磁場 區(qū)域，法拉第(Faraday)反常色散效應(yīng)使得增強(qiáng)的信號光偏振方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)；
(e)再利用光學(xué)選擇偏振方法，抑制抽運(yùn)激光的散射光和通帶外寬頻譜背景光，不 影響被增強(qiáng)信號光的相對強(qiáng)度； (f)最終由安裝在通信接收機(jī)里的光電探測器測量獲得相對強(qiáng)度增強(qiáng)的原子蒸汽 濾光信號。 為了實現(xiàn)上述增強(qiáng)原子蒸汽濾光信號的方法，本發(fā)明采用了集合式拉曼增強(qiáng)原 子蒸汽濾光信號的裝置，它包括微弱信號光、抽運(yùn)激光、窄帶偏振分束器(NB-PBS)、兩個格 蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡，兩個全反射鏡、部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡、孔徑 可調(diào)光闌。其特征在于入射的抽運(yùn)激光與窄帶偏振分束器(NB-PBS)相連，抽運(yùn)激光傳輸 通過窄帶偏振分束器(NB-PBS)、第一全反射鏡和第二全反射鏡、部分尺寸外加磁場的原 子蒸汽泡、與孔徑可調(diào)光闌的孔外涂黑金屬板相連，入射的微弱信號光與第一格蘭湯姆森 (Glan-Thompson)棱鏡相連，入射的微弱信號光傳輸方向與第一永磁體磁鐵組和第二永磁 體磁鐵組產(chǎn)生的磁場B方向相同，其依次通過第一格蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡、部 分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡、孔徑可調(diào)光闌的小孔、與第二格蘭湯姆森(Glan-Thompson) 棱鏡相連，最后，傳輸通過第二格蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡后從本發(fā)明裝置出射到 通信接收機(jī)的光電探測器上。部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡與通過窄帶偏振分束器 (NB-PBS)后由第一全反鏡和第二全反射鏡改變傳輸方向的抽運(yùn)激光以及通過第一格蘭湯 姆森(Glan-Thompson)棱鏡后的微弱信號光相連。 所述的抽運(yùn)激光入射后傳輸依次通過窄帶偏振分束器(NB-PBS)、全反射鏡、部分 尺寸外加磁場的原子蒸汽泡與孔徑可調(diào)光闌的小孔外涂黑金屬板相連，抽運(yùn)激光和微弱信 號光的偏振方向相互垂直，以0.2。 -3°的小角度在部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡內(nèi)無 磁場區(qū)域相交合束并同向傳播，并在加有磁場區(qū)域分束。 所述的微弱信號光入射后傳輸依次通過第一格蘭湯姆森(Glan-Thompson) 棱鏡、部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡、孔徑可調(diào)光闌的小孔和第二格蘭湯姆森 (Glan-Thompson)棱鏡，最后從本發(fā)明裝置內(nèi)出射。 所述的第一格蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡、部分尺寸外加磁場的原子蒸汽 泡、第二格蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡、孔徑可調(diào)光闌與微弱信號光的傳輸方向保持 同軸，第一格蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡和第二格蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡的一格蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡的光軸方向與入射的微弱 信號光的偏振方向一致，部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡上的磁場方向與微弱信號光傳輸 方向一致。 所述的部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡內(nèi)使用的原子范圍為堿金屬原子，包括鉀 (K)、鈉(Na)、銣(Rb)和銫(Cs)。其具體技術(shù)方案如下: (A)集合式拉曼增強(qiáng)原子蒸汽濾光信號裝置由一個部分尺寸外加一對磁鐵組的 原子蒸汽泡、一個窄帶偏振分束器(NB-PBS)、兩個全反射鏡、一個孔徑可調(diào)光闌和兩個格 蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡組成。偏振方向相互垂直的一束微弱信號光和一束抽運(yùn) 激光入射到本發(fā)明裝置內(nèi)，抽運(yùn)激光與窄帶偏振分束器(NB-PBS)相連，微弱信號光與第一 個格蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡相連，部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡與傳輸通過第 一個格蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡后的微弱信號光以及入射通過了窄帶偏振分束器 (NB-PBS)并由第一個全反射鏡和第二個全反射鏡組合導(dǎo)引傳輸?shù)某檫\(yùn)激光相連。
(B)抽運(yùn)激光入射到本發(fā)明裝置并通過一個使得抽運(yùn)激光保持水平偏振的窄帶偏 振分束器(NB-PBS)后，第一個全反射鏡和第二個全反射鏡組合將其反射導(dǎo)引傳輸，與微弱 信號光有一個微小夾角共同入射到部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡內(nèi)，在未加磁場區(qū)域相 交合束，而在外加磁場的區(qū)域與信號光分束。從部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡出射后，被 孔徑可調(diào)光闌的小孔之外涂黑金屬板遮擋。 (C)微弱信號光入射到本發(fā)明裝置并通過第一個格蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱
鏡后，依次傳輸通過部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡、孔徑可調(diào)光闌的小孔、第二個格蘭湯
姆森(Glan-Thompson)棱鏡，并從本發(fā)明裝置內(nèi)出射，由通信接收機(jī)里的光電探測器測量。 (D)第一個格蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡的光軸方向與豎直偏振的微弱信號
光的偏振方向保持一致，第一個和第二個格蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡的偏振方向相
互垂直，第一個格蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡、部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡、孔徑
可調(diào)光闌、第二個格蘭湯姆森棱鏡的中軸與微弱信號光的傳輸方向保持一致。 (E)兩個磁鐵組類似于 一 對亥姆赫茲(Helmholtz)線圈放置，合并產(chǎn)生
0. 01-0. 30Tesla的磁場，磁場強(qiáng)度依賴于兩個磁鐵組之間的距離，磁場的方向與信號光傳
輸方向一致。每個磁鐵組由3-8片磁鐵構(gòu)成環(huán)狀，均勻安裝在原子蒸汽泡部分尺寸外面，第
一個磁鐵組設(shè)計為位置可調(diào)，能夠改變磁場的強(qiáng)度，第二個磁鐵組設(shè)計為固定位置。 (F)原子蒸汽泡里的作用區(qū)是指激光與原子相互作用的區(qū)域，本發(fā)明在單個原子
蒸汽泡里設(shè)計有兩個作用區(qū)部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡里的無磁場部分為原子受激
拉曼(Raman)增益區(qū)，外加磁場部分為原子蒸汽的法拉第(Faraday)反常色散區(qū)。 (G)入射的微弱信號光功率范圍是從光子計數(shù)水平信號到mW量級，在通過第一個
格蘭湯姆森(Glan-Thompson)后，首先入射到部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡里無磁場的
原子受激拉曼(Raman)增益區(qū)域內(nèi)。微弱信號光與抽運(yùn)激光的頻率匹配滿足原子受激拉曼
(Raman)增益條件，其同時也滿足原子蒸汽法拉第(Faraday)反常色散與光學(xué)選擇偏振器
件合并選通的頻率要求。 (H)入射的抽運(yùn)激光功率范圍是從50mW到lOOOmW，當(dāng)與微弱信號光一起入射到部 分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡，在原子蒸汽泡無磁場部分的原子受激拉曼(Raman)增益區(qū) 域與微弱信號光相交合束，而在原子蒸汽泡加有磁場部分的原子蒸汽法拉第(Faraday)反
7常色散區(qū)與微弱信號光分束。抽運(yùn)激光的頻率完全偏離原子蒸汽法拉第(Faraday)反常色 散與光學(xué)選擇偏振器件合并選通的頻率要求。 (I)在部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡的原子受激拉曼(Raman)增益區(qū)(即原 子蒸汽泡的無磁場部分)，由于抽運(yùn)激光的作用，原子蒸汽泡內(nèi)原子的極化率發(fā)生變化，從 而引起微弱信號光的折射率變化。當(dāng)微弱信號光的頻率與抽運(yùn)激光頻率滿足雙光子共振條 件時，原子受激拉曼(Raman)過程中的量子相干導(dǎo)致較強(qiáng)的克爾(Kerr)非線性效應(yīng)，使得 微弱信號光在通過原子蒸汽后相對強(qiáng)度獲得十倍以上的增強(qiáng)。 (J)被增強(qiáng)的信號光，再經(jīng)過部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡的法拉第 (Faraday)反常色散區(qū)(即加有磁場部分)，磁場的存在使得原子能級發(fā)生超精細(xì)塞曼 (Zeeman)分裂。本發(fā)明中使用的信號光是線偏振光，通?？梢员徽J(rèn)為是兩個振幅相等的左 旋園偏振光和右旋圓偏振光的疊加，因此，在原子蒸汽共振吸收峰附近，由于左旋和右旋圓 偏振光不同的折射率，導(dǎo)致入射的微弱信號光在傳輸一段距離后，在偏振方向上發(fā)生旋轉(zhuǎn)， 只有那些偏振方向轉(zhuǎn)過(2" + 1)| (n二oa，2，…)的頻率的光才能通過光學(xué)選擇偏振器件。
本發(fā)明方法與裝置里，當(dāng)選擇設(shè)定了原子蒸汽泡長度、磁場強(qiáng)度、原子數(shù)密度等相關(guān)參數(shù) 后，只有頻率在原子共振頻率附近的被增強(qiáng)信號光才能夠吸收較弱且偏振方向旋轉(zhuǎn)90° ， 相繼傳輸通過水平偏振方向放置的第二個格蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡。而抽運(yùn)激光 的散射光和通帶(《2GHz)外寬頻譜范圍的背景光被抑制，同時最終測量的是由于原子受 激拉曼(Raman)增益而相對強(qiáng)度被增強(qiáng)的信號光。 (K)從本發(fā)明裝置內(nèi)出射的被增強(qiáng)的原子蒸汽濾光信號可以由安裝在通信接收機(jī) 內(nèi)常規(guī)的光電探測器——例如光子計數(shù)模塊、光電倍增管或者光電二極管等進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換 使用本發(fā)明方法與裝置，實驗測量獲得的原子蒸汽濾光透射譜及信號增強(qiáng)譜圖見 圖1所示，信號增強(qiáng)后與未增強(qiáng)的情況相比，能夠獲得原子蒸汽濾光信號的相對強(qiáng)度增強(qiáng) 十倍以上。 本發(fā)明裝置具有以下優(yōu)點 (1)微弱信號光能夠被極大地增強(qiáng)，其增強(qiáng)倍數(shù)主要由原子蒸汽泡的長度、抽運(yùn)激 光的頻率和功率等因數(shù)決定，典型地可以獲得原子蒸汽濾光信號相對強(qiáng)度增強(qiáng)十倍以上， 從而提高了信號光的檢測靈敏度。 (2)微弱信號光和抽運(yùn)激光功率的適用范圍較大，微弱信號光可以從光子計數(shù)水 平信號到mW量級；而抽運(yùn)激光的功率范圍是從50mW到1000mW，取決于通信時對微弱信號 光所需要的增強(qiáng)倍數(shù)。 (3)由于本發(fā)明僅僅使用一個部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡，簡化了增強(qiáng)原子 蒸汽濾光信號裝置的結(jié)構(gòu)，提高了增強(qiáng)原子蒸汽濾光信號的效率。 (4)適當(dāng)調(diào)節(jié)抽運(yùn)激光和微弱信號光的頻率、部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡上 磁場的強(qiáng)度，增強(qiáng)的原子蒸汽濾光信號光頻率也會隨之發(fā)生改變，導(dǎo)致工作頻率可調(diào)諧，其 調(diào)諧范圍為 GHz量級。 (5)與現(xiàn)有原子濾光器相比，本發(fā)明中的原子蒸汽濾光特性具有相同的通帶外寬 頻譜光噪聲的 105高抑制比。
本發(fā)明提供的集合式拉曼增強(qiáng)原子蒸汽濾光信號方法和裝置能很好地用于在強(qiáng) 的、寬頻譜背景光(例如日光)條件下接收微弱光信號，進(jìn)一步提高了信噪比和信號探測靈 敏度，在自由空間量子通信或者大氣激光通信領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景，使它們可能全 天候的正常工作。


圖1.使用部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡，實驗觀測了原子蒸汽濾光信號及其 增強(qiáng)。圖中a為抽運(yùn)激光關(guān)閉時的原子蒸汽濾光透射譜；其表現(xiàn)為一個法拉第(Faraday) 旋光效應(yīng)的普通原子蒸汽色散濾光器；b為抽運(yùn)激光開啟時的透射譜，其顯示出本發(fā)明方 法與裝置的特性與a相比，原子蒸汽濾光信號相對強(qiáng)度獲得了極大地增強(qiáng)，典型地增強(qiáng)倍 數(shù)超過十倍。部分實驗參數(shù)為工作溫度T = 378K，抽運(yùn)激光強(qiáng)度為 6. 8W/cm2。 c是原子 蒸汽的吸收譜，用作頻率的標(biāo)定。 圖2.粗虛線內(nèi)為本發(fā)明——集合式拉曼增強(qiáng)原子蒸汽濾光信號方法和裝置的結(jié) 構(gòu)示意圖。其中窄帶偏振分束器(NB-PBS)3、第一全反射鏡4和第二全反射鏡5、第一格蘭 湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡6和第二格蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡11、部分尺寸外 加磁場的原子蒸汽泡7、第一永磁體磁鐵組8和第二永磁體磁鐵組9、磁場強(qiáng)度B、孔徑可調(diào) 光闌10。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明集合式拉曼增強(qiáng)原子蒸汽濾光信號的方法作詳細(xì)說明，其 步驟是 (a)水平偏振的抽運(yùn)激光2入射通過偏振方向相同放置的窄帶偏振分束器 (NB-PBS) 3，相繼由全反鏡4和全反射鏡5改變其傳輸方向而照射到部分尺寸外加磁場的原 子蒸汽泡7上。 (b)來自通信發(fā)射機(jī)的一束豎直偏振的微弱信號光1入射后，首先通過偏振方向 相同放置的第一格蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡6，接著，入射到部分尺寸外加磁場的原 子蒸汽泡7上。 (c)部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡7的前部分無磁場。當(dāng)抽運(yùn)激光2和微弱信 號光1的頻率同時滿足原子虛能級雙光子共振條件時，抽運(yùn)激光2改變了蒸汽泡內(nèi)原子能 級粒子布居數(shù)，使得原子發(fā)生極化，而當(dāng)微弱信號光1通過極化后的原子蒸汽部分時，其折 射率發(fā)生變化。這樣，微弱信號光1的相對強(qiáng)度由于原子受激拉曼(Raman)增益過程而增 強(qiáng)。 (d)部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡7的后一部分外加有第一永磁體磁鐵組8、第 二永磁體磁鐵組9，它們合并產(chǎn)生沿原子蒸汽泡中心軸方向的0. 01-0. 30Tesla的磁場B。 當(dāng)抽運(yùn)激光2與微弱信號光1一同傳輸?shù)讲糠殖叽缤饧哟艌龅脑诱羝?的外加磁場區(qū) 域時，由于抽運(yùn)激光2的頻率位于濾光器通帶之外，并且其與微弱信號光1入射有一個小的 夾角，則在部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡7的加有磁場區(qū)域與微弱信號光1分束，相繼傳
輸?shù)娇讖娇烧{(diào)光闌10孔徑涂黑金屬板上被遮擋。對于偏離旋轉(zhuǎn)<formula>formula see original document page 9</formula>頻率要求的寬頻譜范圍的背景光和抽運(yùn)激光2的散射光，它們或者被原子蒸汽吸收、或者 被第二格蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡11阻攔而被抑制。對于微弱信號光l，其滿足法 拉第(Faraday)旋光效應(yīng)的頻率要求，在通過部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡7的外加磁 場區(qū)域時不被原子蒸汽吸收且偏振方向發(fā)生90。旋轉(zhuǎn)。 (e)作為光學(xué)選擇偏振的器件的第 一格蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡6和 第二格蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡11的光軸方向相互垂直、消光比為105。光學(xué)選 擇偏振方法將抑制抽運(yùn)激光的散射光和通帶外寬頻譜背景光，而不影響被增強(qiáng)信號光的 相對強(qiáng)度，因此，微弱信號光1增強(qiáng)后能夠傳輸通過孔徑可調(diào)光闌10和第二格蘭湯姆森 (Glan-Thompson)棱鏡11，并從本發(fā)明裝置內(nèi)出射。 (f)最后，由通信接收機(jī)里的光電探測器測量到微弱信號光1的相對強(qiáng)度被極大 地增強(qiáng)——即本發(fā)明方法達(dá)到了背景光噪聲高度抑制和原子蒸汽濾光信號極大增強(qiáng)的目 的。 根據(jù)上述本發(fā)明方法，并以使用堿金屬銣(Rb)原子蒸汽為例，對本發(fā)明所提供的 集合式拉曼增強(qiáng)原子蒸汽濾光信號的裝置作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。 本發(fā)明裝置由窄帶偏振分束器(NB-PBS)3、第一格蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱 鏡6和第二格蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡11、第一全反射鏡4和第二全反射鏡5、部分 尺寸外加磁場的原子蒸汽泡7、第一永磁體磁鐵組8和第二永磁體磁鐵組9、孔徑可調(diào)光闌 10組成。 入射的抽運(yùn)激光2與窄帶偏振分束器(NB-PBS) 3相連，抽運(yùn)激光2傳輸通過窄帶 偏振分束器(NB-PBS)3、第一全反射鏡4和第二全反射鏡5、部分尺寸外加磁場的原子蒸汽 泡7后與孔徑可調(diào)光闌10的孔外涂黑金屬板相連，入射的微弱信號光1與第一格蘭湯姆森 (Glan-Thompson)棱鏡6相連，入射的微弱信號光1傳輸方向與第一永磁體磁鐵組8和第 二永磁體磁鐵組9產(chǎn)生的磁場B方向相同，其依次通過第一格蘭湯姆森(Glan-Thompson) 棱鏡6、部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡7、孔徑可調(diào)光闌10的小孔后與第二格蘭湯姆森 (Glan-Thompson)棱鏡11相連，最后通過第二格蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡11后從本 發(fā)明裝置內(nèi)出射到通信接收機(jī)里的光電探測器上。部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡7與通 過窄帶偏振分束器(NB-PBS) 3后由第一全反射鏡4和第二全反射鏡5改變傳輸方向的抽運(yùn) 激光2以及通過第一格蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡6后的微弱信號光1相連。
在實驗演示中，本發(fā)明裝置與抽運(yùn)激光器一起安裝在通信接收機(jī)里。來自通信接 收機(jī)的抽運(yùn)激光2為典型MHz線寬的線性偏振激光，功率在50-1000mW范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)，波長 調(diào)諧在堿金屬銣(Rb)原子的D2共振譜線780nm附近。 窄帶偏振分束器(NB-PBS)3的透光面鍍有780nm增透膜，消光比為1000 : 1。
第一格蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡6和第二格蘭湯姆森(Glan-Thompson) 棱鏡ll的消光比為10s，透光面鍍780nm增透膜，微弱信號光l傳輸從第一格蘭湯姆森 (Glan-Thompson)棱鏡6、第二格蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡11的軸心通過。
第一全反射鏡4和第二全反射鏡5為780nm鍍膜，調(diào)節(jié)其角度，可以使抽運(yùn)激光2 正確地入射到部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡7中，以保證在部分尺寸外加磁場的原子蒸 汽泡7內(nèi)的無磁場區(qū)域能夠與微弱信號光1相交合束。 部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡7的磁場強(qiáng)度B、原子數(shù)密度和原子蒸氣泡長度等參數(shù)會影響磁旋本領(lǐng)、超精細(xì)塞曼(Zeeman)能級的位置變化，從而導(dǎo)致被增強(qiáng)的原子蒸 氣濾光信號的相對強(qiáng)度、位置和帶寬的改變，因此，都必須由實驗正確地調(diào)節(jié)它們到最佳 值。部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡7為圓柱形派萊克斯(Pyrex)玻璃泡，泡長范圍為 100mm-500mm，直徑范圍為10mm-50mm，泡的兩個端面為平板玻璃熱熔貼面且保持完全平行， 泡內(nèi)充有幾mg堿金屬銣(Rb)，一部分尺寸的原子蒸氣泡體外加有第一永磁體磁鐵組8、第 二永磁體磁鐵組9。 第一永磁體磁鐵組8和第二永磁體磁鐵組9為釹鐵硼材料，每個磁鐵組包括多個 永磁體磁鐵，根據(jù)不同原子種類、原子數(shù)密度和原子蒸汽泡的長度對于磁場強(qiáng)度B的要求， 永磁體磁鐵的個數(shù)為3-8個，以環(huán)狀均勻安裝在部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡7外面。類 似一對亥姆赫茲(Helmholtz)線圈方式裝配第一永磁體磁鐵組8和第二永磁體磁鐵組9，它 們合并產(chǎn)生0. 01-0. 30Tesla的磁場B，其方向與微弱信號光1傳播方向一致。當(dāng)每個磁鐵 組的磁鐵個數(shù)確定之后，通過調(diào)節(jié)兩個磁鐵組之間的距離可以改變磁場強(qiáng)度B，本發(fā)明裝置 設(shè)計的第一永磁體磁鐵組8為位置可調(diào)、第二永磁體磁鐵組9為固定位置，改變第一永磁體 磁鐵組8的位置就能夠達(dá)到變化磁場強(qiáng)度B的目的。 孔徑可調(diào)光闌10的小孔外為表面涂黑金屬板，能夠用于遮擋從部分尺寸外加磁 場的原子蒸汽泡7出射的抽運(yùn)激光2。 入射的抽運(yùn)激光2和微弱信號光1的偏振方向相互垂直，并且滿足在部分尺寸 外加磁場的原子蒸汽泡7內(nèi)無磁場區(qū)域與堿金屬銣(Rb)原子蒸汽相互作用、受激拉曼 (Raman)增益的發(fā)生條件；而僅僅微弱信號光1滿足在部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡7 內(nèi)加有磁場區(qū)域與處于超精細(xì)塞曼(Zeeman)子能級的原子相互作用、達(dá)到旋轉(zhuǎn)90°的頻 率要求。抽運(yùn)激光2以0.2。 -3°的小角度照射部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡7，與微 弱信號光1在部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡7的受激拉曼(Raman)增益區(qū)域里大部分 交叉合束，在法拉第(Faraday)反常色散區(qū)分束。抽運(yùn)激光2從部分尺寸外加磁場的原子 蒸汽泡7出射后，抽運(yùn)激光2傳輸?shù)娇讖娇烧{(diào)光闌10小孔外涂黑金屬板上被遮擋；微弱信 號光1傳輸方向與部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡7、孔徑可調(diào)光闌10、第二格蘭湯姆森 (Glan-Thompson)棱鏡11同軸，微弱信號光1通過部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡7后相 對強(qiáng)度獲得增強(qiáng)且偏振方向了旋轉(zhuǎn)90° ，安裝在通信接收機(jī)里的光電探測器能夠探測到從 本發(fā)明裝置出射的被增強(qiáng)原子蒸汽濾光信號，而不會探測到通帶外背景光、抽運(yùn)激光2及 其散射光。 本發(fā)明集合式拉曼增強(qiáng)原子蒸汽濾光信號的裝置中的連接詳細(xì)描述如下
本發(fā)明裝置由窄帶偏振分束器(NB-PBS)3、第一全反射鏡4和第二全反射鏡5、第 一格蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡6和第二格蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡11、部 分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡7、第一永磁體磁鐵組8和第二永磁體磁鐵組9、孔徑可調(diào) 光闌10組成。其特征在于入射的抽運(yùn)激光2與窄帶偏振分束器(NB-PBS)3相連，抽運(yùn) 激光2傳輸依次通過窄帶偏振分束器(NB-PBS)3、第一全反射鏡4和第二全反射鏡5、部分 尺寸外加磁場的原子蒸汽泡7與孔徑可調(diào)光闌10的小孔外涂黑金屬板相連，入射的微弱 信號光1與第一格蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡6相連，入射的微弱信號光1與第一永 磁體磁鐵組8和第二永磁體磁鐵組9產(chǎn)生的磁場B方向相同，其依次通過第一格蘭湯姆森 (Glan-Thompson)棱鏡6、部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡7、孔徑可調(diào)光闌10的小孔與第
11二格蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡11相連。部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡7與通過 窄帶偏振分束器(NB-PBS) 3后由第一全反射鏡4和第二全反射鏡5改變傳輸方向的抽運(yùn)激 光2和通過第一格蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡6的微弱信號光1相連。
本發(fā)明集合式拉曼增強(qiáng)原子蒸汽濾光信號的裝置的工作流程為
抽運(yùn)激光2和微弱信號光1入射進(jìn)入本發(fā)明裝置，窄帶偏振分束器(NB-PBS) 3保 證抽運(yùn)激光2水平偏振，第一格蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡6保證微弱信號光1豎直 偏振，抽運(yùn)激光2與微弱信號光1偏振方向相互垂直且分別調(diào)諧至合適的頻率，使微弱信號 光1在部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡7的無磁場區(qū)域與堿金屬銣(Rb)原子蒸汽相互作 用獲得受激拉曼(Raman)增益。調(diào)節(jié)第一全反射鏡4和第二全反射鏡5，使得抽運(yùn)激光2與 微弱信號光1以一小夾角入射到部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡7內(nèi)，并在無磁場區(qū)域相 交合束同向傳輸，其入射角度的確定標(biāo)準(zhǔn)是使與微弱信號光1相交合束距離增加、且不能 夠通過孔徑可調(diào)光闌10的小孔。第一格蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡6光軸方向與微弱 信號光1的偏振方向一致，保證了豎直偏振的微弱信號光1能夠無損通過；第二格蘭湯姆森 (Glan-Thompson)棱鏡11的光軸與第一格蘭湯姆森(Glan-Thompson)棱鏡6相互垂直，使 得通帶外背景光、抽運(yùn)激光2及其散射光不能夠通過它。因此，本發(fā)明裝置能將寬頻譜范圍 的通帶外背景光噪聲、抽運(yùn)激光2的散射光高度抑制，同時，獲得極大增強(qiáng)了堿金屬銣(Rb) 原子蒸汽濾光信號。 上述描述中均以增強(qiáng)堿金屬銣(Rb)原子蒸汽濾光信號為例，在實際應(yīng)用中，本發(fā) 明涉及其它堿金屬原子鉀(K)、鈉(Na)和銫(Cs)蒸汽，在具體實施過程中需要分別選擇相 應(yīng)堿金屬原子躍遷波長的激光器、工作波長鍍膜的光學(xué)器件、原子數(shù)密度、原子蒸汽泡長度 和相關(guān)的磁場強(qiáng)度。
1權(quán)利要求
一種集合式拉曼增強(qiáng)原子蒸汽濾光信號的方法，其步驟是(a)使用一個部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡，一束水平偏振的抽運(yùn)激光照射在無磁場區(qū)域的原子蒸汽上，調(diào)節(jié)其相對于微弱信號光在一個失諧頻率上，改變了蒸汽泡內(nèi)原子能級上的粒子布居數(shù)，使原子發(fā)生極化；(b)一束豎直偏振的微弱信號光與抽運(yùn)激光交叉合束后一起傳輸通過極化后的原子蒸汽時，其折射率發(fā)生變化；(c)抽運(yùn)激光和微弱信號光的頻率同時滿足原子虛能級雙光子共振條件，微弱信號光的相對強(qiáng)度經(jīng)過原子受激拉曼增益過程在原子蒸汽泡的無磁場區(qū)域獲得增強(qiáng)；(d)相繼，抽運(yùn)激光與被增強(qiáng)的信號光分束并一起傳輸通過原子蒸汽泡外加磁場區(qū)域，法拉第反常色散效應(yīng)使得增強(qiáng)的信號光偏振方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)；(e)再利用光學(xué)選擇偏振方法，抑制抽運(yùn)激光的散射光和通帶外寬頻譜背景光，不影響被增強(qiáng)信號光的相對強(qiáng)度；(f)最終由安裝在通信接收機(jī)里的光電探測器測量獲得相對強(qiáng)度增強(qiáng)的原子蒸汽濾光信號。
2. 權(quán)利要求1所述的一種集合式拉曼增強(qiáng)原子蒸汽濾光信號的裝置，它包括窄帶偏振 分束器(3)、第一、第二格蘭湯姆森棱鏡(6、11)、第一、第二全反射鏡(4、5)、部分尺寸外加 磁場的原子蒸汽泡(7)、第一、第二永磁體磁鐵組(8、9)、孔徑可調(diào)光闌(IO)，其特征在于 入射的抽運(yùn)激光(2)與窄帶偏振分束器(3)相連，抽運(yùn)激光(2)傳輸通過窄帶偏振分束器 (3)、第一全反射鏡(4)和第二全反射鏡(5)、部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡(7)后與孔 徑可調(diào)光闌(10)的小孔外涂黑金屬板相連，入射的微弱信號光(1)與第一格蘭湯姆森棱鏡 (6)相連，入射的微弱信號光(1)傳輸方向與第一永磁體磁鐵組(8)和第二永磁體磁鐵組 (9)產(chǎn)生的磁場(B)方向相同，其依次通過第一格蘭湯姆森棱鏡(6)、部分尺寸外加磁場的 原子蒸汽泡(7)、孔徑可調(diào)光闌(10)的小孔與第二格蘭湯姆森棱鏡(11)相連，通過第二格 蘭湯姆森棱鏡(11)從本裝置內(nèi)出射到通信接收機(jī)里的光電探測器上，部分尺寸外加磁場 的原子蒸汽泡(7)與通過窄帶偏振分束器(3)、第一全反射鏡(4)、第二全反射鏡(5)的抽 運(yùn)激光(2)以及通過第一格蘭湯姆森棱鏡(6)的微弱信號光(1)相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種集合式拉曼增強(qiáng)原子蒸汽濾光信號的裝置，其特征在 于所述的抽運(yùn)激光(2)入射后傳輸依次通過窄帶偏振分束器(3)、第一、第二全反射鏡(4、 5)、部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡(7)與孔徑可調(diào)光闌(10)的小孔外涂黑金屬板相連， 抽運(yùn)激光(2)和微弱信號光(1)的偏振方向相互垂直，在加有磁場(B)區(qū)域分束。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種集合式拉曼增強(qiáng)原子蒸汽濾光信號的裝置，其特征在 于所述的微弱信號光(1)入射后傳輸依次通過第一格蘭湯姆森棱鏡(6)、部分尺寸外加磁 場的原子蒸汽泡(7)、孔徑可調(diào)光闌(10)的小孔和第二格蘭湯姆森棱鏡(11)出射。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種集合式拉曼增強(qiáng)原子蒸汽濾光信號的裝置，其特征在 于所述的第一格蘭湯姆森棱鏡(6)、部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡(7)、第二格蘭湯姆 森棱鏡(11)、孔徑可調(diào)光闌(10)與微弱信號光(1)的傳輸方向同軸，第一格蘭湯姆森棱鏡 (6)和第二格蘭湯姆森棱鏡(11)的光軸方向相互垂直。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種集合式拉曼增強(qiáng)原子蒸汽濾光信號的裝置，其特征在 于所述的第一格蘭湯姆森棱鏡(6)的光軸方向與入射的微弱信號光(1)的偏振方向一致，部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡(7)上的磁場(B)方向與微弱信號光(1)傳輸方向一致。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種集合式拉曼增強(qiáng)原子蒸汽濾光信號裝置，其特征在于 所述的部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡(7)內(nèi)使用的原子范圍為堿金屬原子，包括鉀、鈉、 銣和銫。
全文摘要
本發(fā)明公開了集合式拉曼增強(qiáng)原子蒸汽濾光信號方法及裝置，該方法在單個原子蒸汽泡里集合利用了原子受激拉曼增益和原子蒸汽的法拉第反常色散效應(yīng)兩個特性。實現(xiàn)本發(fā)明方法的裝置由一個窄帶偏振分束器、兩個全反射鏡、一個部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡、一個孔徑可調(diào)光闌、一對格蘭湯姆森棱鏡組成。本發(fā)明通過微弱信號光與抽運(yùn)激光偏振方向相互垂直以及頻率匹配，在部分尺寸外加磁場的原子蒸汽泡里增強(qiáng)原子濾光信號十倍以上，并利用光學(xué)選偏器件抑制抽運(yùn)激光的散射光和通帶外背景光，具有高抑制比(～105)和濾光波長可調(diào)等特點。本發(fā)明顯著提高了原子蒸汽濾光特性和探測靈敏度，對遠(yuǎn)距離激光通信和自由空間量子通信等領(lǐng)域應(yīng)用具有重要意義。
文檔編號G02F1/39GK101794033SQ200910273490
公開日2010年8月4日 申請日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者孫獻(xiàn)平, 羅軍, 詹明生, 譚政 申請人:中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所