[发明专利]一种原子移频器及其移频方法

说明书

技术领域

本发明涉及非线性光学和量子光学领域，尤其涉及一种原子移频器及其移频方法。

背景技术

目前，低功率下高效的频率转换是非线性光学和量子光学领域的一个重要研究方向，这一高效率转换在精密光谱和量子信息处理和存储中有很广泛的应用。由于在介质里面，非线性系数一般是比较小的，所以高效的转化过程几乎都是用高功率入射作用光场来实现。特别是在拉曼过程中，从入射拉曼光转化为斯托克斯光场的效率非常低。提高转化效率的传统方法是用高精度的光学腔或者用受激拉曼的方法，但是这两种方法的实现装置很复杂。在最近的一段时间里面，很多国际上的研究小组报导可以通过相干的原子系综来提高非线性的转化率。但是目前已有的利用相干的原子系综来提高非线性转化率的方法也存在很多问题，那就是必须要另外的一束光场先在原子系综里产生相干性，这种方法只能在脉冲的情况下运行。我们的移频器是基于作用介质中的原子能级相干性和转化光场之间的相位关联性和强度关联性进行相干反馈的拉曼散射来实现高效的频率移动。基于这个原理我们的移频器可以实现了高达50％的转化效率，而且频率移频很大，产生的频率移动转换光场可以是连续光场也可以是脉冲光场，在传播方向上会自动与未转换的入射光场空间分离。与之前的其它方案相比较，我们只需要更弱的入射拉曼光场(最低只需0.03W/cm²)，结构更加简单，操作更加方便，可以输出连续的强度十分稳定的转化光场，可以自动空间分开转化光场和入射拉曼光场。同时对比国际上使用最广泛的移频器(声光调制器和电光调制器)，声光调制器要移频6.8GHz转化率只有万分之一。电光调制器虽然可以有较高的转化率，但是它移率移动转换光场和的入射光场的传播方向是相同的，很难应用。

发明内容

本发明克服了现有技术中声光调制器在移频很大时效率很低以及电光调制器不能把移率移动转换光场和入射光场空间分开等缺陷，提出了一种原子移频器及其移频方法。本发明基于作用介质中的能级相干性和转换光场之间强度关联以及相位关联对拉曼过程的相干反馈原理，从而实现光场频移，例如，以铷蒸气原子系综作为作用介质，基于相干反馈的拉曼过程实现光场频移，本发明原子移频器相对于一般的产光调制器和电光调制器，效率高，而且可以实现很大频率的频移。本发明原子移频器还具有输出稳定、结构简单紧凑、易于集成、自动空间分开频移光和入射拉曼泵浦光等优点。

本发明提出了一种原子移频器，包括：

第一光源，其用于产生入射拉曼光场；

第二光源，其用于产生光泵光场；

极化分束器，其沿所述第一光源的光路设置，用于折射所述入射拉曼光场，并在空间上分开入射拉曼光场和转化光场；

第一反射镜，其沿所述第二光源的光路设置，用于反射所述光泵光场，使所述光泵光场与所述拉曼光场小角度相交重合形成转化光场；

第二反射镜，其与所述极化分束器相对设置，将所述转化光场和入射拉曼光场全部原路反射至所述极化分束器；

介质单元，其设置在所述极化分束器与第二反射镜之间，用于实现所述入射拉曼光场与光泵光场相交重合时产生的所述入射拉曼光场的频率移动；

所述第一光源的光路经所述极化分束器折射至所述介质单元，所述第二光源的光路经所述第一反射镜反射至所述介质单元中，所述第一光源的光路与所述第二光源的光路在所述介质单元中小角度交叉重合，所形成的转化光场与未转化的入射拉曼光场一起射入所述第二反射镜中，并由所述第二反射镜全部原路反射至所述介质单元、极化分束器中。

其中，所述第一光源与第二光源为半导体激光器。

其中，所述介质单元的作用介质是⁸⁷Rb原子系综。本发明中，如果要实现不同的频率段的移频，还可以更换其他作用介质，包括各类原子系综以及分子体系。例如，包括：Cs、⁸⁵Rb、⁸⁷Rb等原子系综。

其中，所述第一光源的光路与所述第二光源的光路的交叉角度小于3°。

本发明原子移频器进一步包括：磁屏蔽单元，其设置在所述介质单元的外围，用于减少所述介质单元受到的外界磁干扰。

本发明中，所述介质单元的外层设置有石蜡，例如，在介质单元的外层镀有石蜡。

本发明中，所述原子移频器利用了相干反馈的原理，在进行拉曼散射时候可以实现高效率大频率的频率转换，例如，在-6.8GHz频率移动的效率高达50％，在+6.8Ghz频率移动的效率高达30％。

本发明还提出了一种原子移频器的移频方法，包括具体步骤如下：