一種非線性光與原子干涉儀及其干涉方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種非線性光與原子干涉儀，包括：第一光源、第二光源、第三光源、第一極化分束器、第二極化分束器、第三極化分束器、第四極化分束器、第五極化分束器、第一半波片、第二半波片、第三半波片、光電探測(cè)器、第一延時(shí)器、第二延時(shí)器和銣原子系綜。沿第一光源輸出方向依次設(shè)置有第二半波片、第一極化分束器和第一延時(shí)器；沿第二光源輸出方向依次設(shè)置有第五極化分束器、第三半波片、第二極化分束器、銣原子系綜、第三極化分束器和第二延時(shí)器，第三光源輸出光場(chǎng)沿折射方向射入第四極化分束器內(nèi)，第一延時(shí)器的輸出沿入射方向射入第四極化分束器內(nèi)。本發(fā)明可以同時(shí)利用光場(chǎng)和原子來(lái)改變相位。本發(fā)明還提出了一種干涉方法。
【專利說明】一種非線性光與原子干涉儀及其干涉方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及非線性光學(xué)、量子光學(xué)及精密測(cè)量領(lǐng)域，尤其涉及一種非線性光與原 子干涉儀及其干涉方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，干涉儀在非線性光學(xué)，量子光學(xué)及精密測(cè)量領(lǐng)域扮演著重要角色，在很多基 礎(chǔ)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，例如在引力波測(cè)量，重力測(cè)量、測(cè)距、測(cè)磁場(chǎng)等。線性干涉儀分為兩大 類，主要包括全光干涉儀（例如Mach-Zehnder干涉儀）和全原子的干涉儀（Ramsey干涉 儀）。這些干涉儀都是利用無(wú)源分束器來(lái)實(shí)現(xiàn)分束，信號(hào)（光場(chǎng)或者原子束）被分束沿著不 同的路徑傳輸，經(jīng)過一段傳播距離被分束的信號(hào)（光場(chǎng)或者原子束）又在另一個(gè)分束器上 進(jìn)行合束發(fā)生干涉，分開路徑傳播的過程中會(huì)有個(gè)相位移動(dòng)Θ，可見干涉信號(hào)隨著相位移 動(dòng)Θ而變化。最近，非線性光干涉儀和非線性原子干涉儀在理論和實(shí)驗(yàn)都被實(shí)現(xiàn)了。線性 干涉儀的相位靈敏度是Δθ=1/# (N是注入干涉儀的光場(chǎng)信號(hào)的光子數(shù)或者是注入干涉儀 的原子數(shù)目）。相對(duì)于線性干涉儀，非線性干涉儀是利用有源分束器來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的合束和分 束。非線性干涉儀相對(duì)于線性干涉儀有很多優(yōu)點(diǎn)，它的相位靈敏度是1/Ν，比線性干涉儀的 靈敏度有很大的改進(jìn)。但是目前所有的線性和非線性干涉儀都是全光干涉儀或者是全原子 干涉儀。全光干涉儀只能用光場(chǎng)去感受相位改變，全原子干涉儀只能用原子去感受相位改 變。所以亟需一種可以同時(shí)利用光場(chǎng)和原子來(lái)改變干涉信號(hào)的相位的非線性干涉儀實(shí)現(xiàn)高 精度測(cè)量。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 本發(fā)明提出了一種非線性光與原子干涉儀，包括：第一光源、第二光源、第三光源、 第一極化分束器、第二極化分束器、第三極化分束器、第四極化分束器、第五極化分束器、第 一半波片、第二半波片、第三半波片、光電探測(cè)器、第一延時(shí)器、第二延時(shí)器和銣原子系綜；
[0004] 沿所述第一光源輸出的入射拉曼光場(chǎng)方向依次設(shè)置有所述第二半波片、所述第一 極化分束器和所述第一延時(shí)器；
[0005] 沿所述第二光源輸出的入射信號(hào)光方向依次設(shè)置有所述第五極化分束器、所述第 三半波片、所述第二極化分束器、所述銣原子系綜、第三極化分束器和所述第二延時(shí)器，所 述第二延時(shí)器輸出的信號(hào)光返回所述第三極化分束器；沿所述第五極化分束器的折射方向 設(shè)置有所述光電探測(cè)器；所述第一極化分束器與所述第二極化分束器的折射方向重合；
[0006] 所述第三光源輸出的讀光光場(chǎng)沿折射方向射入所述第四極化分束器內(nèi)，所述第一 延時(shí)器的輸出沿入射方向射入所述第四極化分束器內(nèi)，沿所述第四極化分束器的透射方向 依次設(shè)置有所述第一半波片與所述第三極化分束器，所述第四極化分束器的透射方向與所 述第三極化分束器的折射方向重合。
[0007] 本發(fā)明提出的所述非線性光與原子干涉儀中，所述第二光源的入射信號(hào)光是由所 述第一光源的入射拉曼光場(chǎng)經(jīng)過移頻器后產(chǎn)生的。
[0008] 本發(fā)明提出的所述非線性光與原子干涉儀中，所述第一延時(shí)器與所述第二延時(shí)器 包括單模光纖或電磁誘導(dǎo)設(shè)備。
[0009] 本發(fā)明提出的所述非線性光與原子干涉儀中，所述第二延時(shí)器內(nèi)進(jìn)一步設(shè)置壓電 陶瓷。
[0010] 本發(fā)明提出的所述非線性光與原子干涉儀中，所述銣原子系綜的周圍設(shè)置有赫姆 霍茲線圈。
[0011] 本發(fā)明還提出了一種非線性光與原子干涉儀的干涉方法，包括如下步驟：
[0012] 步驟一：第一光源輸出的入射拉曼光場(chǎng)經(jīng)第二半波片改變偏振后射入第一極化分 束器內(nèi)發(fā)生分束，生成第一分束光與第二分束光，所述第一分束光射入第二極化分束器內(nèi)， 所述第二分束光射入第一延時(shí)器內(nèi)；
[0013] 步驟二：第二光源輸出的入射信號(hào)光經(jīng)第三半波片改變偏振后射入所述第二極化 分束器內(nèi)與所述第一分束光發(fā)生重合，所述第一分束光射入銣原子系綜內(nèi)產(chǎn)生入射拉曼散 射光場(chǎng)，所述入射信號(hào)光經(jīng)過所述入射拉曼散射光場(chǎng)中發(fā)生第一次拉曼散射，生成斯托克 斯信號(hào)光場(chǎng)，并在所述銣原子系綜的內(nèi)部產(chǎn)生第一原子相干性；
[0014] 步驟三：所述斯托克斯信號(hào)光場(chǎng)經(jīng)過第三極化分束器后射入第二延時(shí)器，通過所 述第二延時(shí)器后重新射入所述第三極化分束器內(nèi)；所述第二分束光依次經(jīng)過第四極化分束 器、第一半波片后射入所述第三極化分束器內(nèi)與所述斯托克斯信號(hào)光場(chǎng)發(fā)生重合；所述斯 托克斯信號(hào)光場(chǎng)與所述第二分束光射入所述銣原子系綜內(nèi)，所述斯托克斯信號(hào)光場(chǎng)與所述 第一原子相干性發(fā)生第二次拉曼散射，生成放大的斯托克斯信號(hào)光場(chǎng)以及所述銣原子系綜 內(nèi)產(chǎn)生第二原子相干性，所述放大的斯托克斯信號(hào)光場(chǎng)通過所述第五極化分束器后射入所 述光電探測(cè)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)所述第一原子相干性；
[0015] 步驟四：關(guān)斷所述第一光源和所述第二光源，所述第三光源輸出的讀光光場(chǎng)依次 經(jīng)過所述第四極化分束器、第一半波片和所述第三極化分束器后射入所述銣原子系綜內(nèi)與 所述第二原子相干性發(fā)生耦合生成反斯托克斯信號(hào)光場(chǎng)，所述反斯托克斯信號(hào)光場(chǎng)通過所 述第五極化分束器射入所述光電探測(cè)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)所述第二原子相干性。
[0016] 本發(fā)明提出的所述干涉方法中，所述第一光源輸出的入射拉曼光場(chǎng)與所述第二光 源輸出的入射信號(hào)光滿足雙光子共振條件。
[0017] 本發(fā)明提出的所述干涉方法中，所述步驟一之前進(jìn)一步包括：所述銣原子系綜內(nèi) 的銣原子的原子初態(tài)均預(yù)先制備到單個(gè)原子基態(tài)能級(jí)。
[0018] 本發(fā)明提出的所述干涉方法中，所述銣原子系綜的溫度為80攝氏度。
[0019] 本發(fā)明提出的所述干涉方法中，所述步驟三中進(jìn)一步包括：利用赫姆霍茲線圈改 變所述第一原子相干性的相位，利用所述第二延時(shí)器改變所述斯托克斯信號(hào)光場(chǎng)的相位， 實(shí)現(xiàn)改變所述放大的斯托克斯信號(hào)光場(chǎng)以及所述第二原子相干性的強(qiáng)度。
[0020] 本發(fā)明非線性光與原子干涉儀可以同時(shí)用光場(chǎng)和原子同時(shí)來(lái)感受相位的改變。該 干涉儀可以用光場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度測(cè)量，可以用原子來(lái)對(duì)磁場(chǎng)、重力等一切能對(duì)原子相位有所 改變的物理量進(jìn)行測(cè)量，相比全光干涉儀或者全原子干涉儀有更廣泛的用處，更加的靈活， 有精密測(cè)量領(lǐng)域會(huì)有廣泛的應(yīng)用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021] 圖1是本發(fā)明非線性光與原子干涉儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022] 圖2是實(shí)現(xiàn)非線性光與原子干涉儀的原子能級(jí)和相應(yīng)的光頻圖。
[0023] 圖3是本發(fā)明非線性光與原子干涉儀的干涉方法的流程圖。
[0024] 圖1-3中，1-第一光源，2-第二光源，3-第三光源，4-第一極化分束器，5_第二 極化分束器，6-第三極化分束器，7-第四極化分束器，8-第五極化分束器，9-第一半波片， 10-第二半波片，11-第三半波片，12-光電探測(cè)器，13-第一延時(shí)器，14-第二延時(shí)器，15-銣 原子系綜，16-赫姆霍茲線圈。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 結(jié)合以下具體實(shí)施例和附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。實(shí)施本發(fā)明的過程、 條件、實(shí)驗(yàn)方法等，除以下專門提及的內(nèi)容之外，均為本領(lǐng)域的普遍知識(shí)和公知常識(shí)，本發(fā) 明沒有特別限制內(nèi)容。
[0026] 與現(xiàn)有的全光或全原子干涉儀相比，本發(fā)明非線性光與原子干涉儀是非線性的， 利用受激拉曼散射作為有源的光束分束器來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光束分束器。輸出的干涉信號(hào)經(jīng)過 受激拉曼散射和增強(qiáng)拉曼散射進(jìn)行了放大，比輸入信號(hào)要大很多倍，并且這個(gè)干涉儀的相 位靈敏度比傳統(tǒng)的線性干涉儀的相位要高。本發(fā)明是一種光與原子干涉儀，可以同時(shí)用光 場(chǎng)來(lái)感受相位改變，也可以用原子來(lái)感受相位的改變。光場(chǎng)的相位改變可以用來(lái)測(cè)量光程 的改變，原子相位改變可以用來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)。這種測(cè)量磁場(chǎng)的方案是全新的，可以用來(lái)設(shè)計(jì)原 子磁力計(jì)。
[0027] 圖1顯示的是本發(fā)明非線性光與原子干涉儀的結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明非線性光與原 子干涉儀包括第一光源1、第二光源2、第三光源3、第一極化分束器4、第二極化分束器5、第 三極化分束器6、第四極化分束器7、第五極化分束器8、第一半波片9、第二半波片10、第三 半波片11、光電探測(cè)器12、第一延時(shí)器13、第二延時(shí)器14和銣原子系綜15。沿第一光源1 輸出的入射拉曼光場(chǎng)方向依次設(shè)置有第二半波片10、第一極化分束器4和第一延時(shí)器13。 沿第二光源2輸出的入射信號(hào)光S0方向依次設(shè)置有第五極化分束器8、第三半波片11、第 二極化分束器5、銣原子系綜15、第三極化分束器6和第二延時(shí)器14,第二延時(shí)器14輸出 的信號(hào)光返回第三極化分束器6。沿第五極化分束器5的折射方向設(shè)置有光電探測(cè)器12。 第一極化分束器4與第二極化分束器5的折射方向重合。第三光源3輸出的讀光光場(chǎng)沿折 射方向射入第四極化分束器7內(nèi)，第一延時(shí)器13的輸出沿入射方向射入第四極化分束器7 內(nèi)，沿第四極化分束器7的透射方向依次設(shè)置有第一半波片9與第三極化分束器6,第四極 化分束器7的透射方向與第三極化分束器6的折射方向重合。
[0028] 其中，第一光源1用于產(chǎn)生入射拉曼光場(chǎng)。第二光源2用于受激拉曼的Stokes種 子光場(chǎng)。第三光源3用于讀取出干涉儀產(chǎn)生的存在銣原子系綜中的原子相干性信號(hào)。本發(fā) 明較佳實(shí)施例中第一光源1和第二光源2為相干光源。第二光源2是通過把第一光源1注 入移頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)頻移。
[0029] 第一極化分束器4、第二極化分束器5、第三極化分束器6、第四極化分束器7和第 五極化分束器8用于入射拉曼光場(chǎng)，入射信號(hào)光S0和光泵光場(chǎng)的空間合束，以及拉曼光場(chǎng) 和斯托克斯（Stokes)信號(hào)光場(chǎng)S1的空間分束和合束。
[0030] 第一半波片9和第二半波片10用于改變第一光源1的入射拉曼光場(chǎng)的偏振，第三 半波片11用于改變第二光源2的入射信號(hào)光SO的偏振，從而調(diào)節(jié)分束和合束比。
[0031] 光電探測(cè)器12用來(lái)探測(cè)最終干涉儀輸出的信號(hào)。
[0032] 第一延時(shí)器13和第二延時(shí)器14主要是實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)的延時(shí)。第一延時(shí)器13和第二 延時(shí)器14可以利用100米單模光纖，電磁誘導(dǎo)透明過程等來(lái)實(shí)現(xiàn)延時(shí)。同時(shí)第一延時(shí)器13 和第二延時(shí)器14中還包括可以掃描相位的PZT (壓電陶瓷）。
[0033] 銣原子系綜15用于實(shí)現(xiàn)非線性光與原子干涉儀。本發(fā)明非線性光與原子干涉儀 利用87Rb原子的" Λ "型原子的能級(jí)相干性和Stokes光場(chǎng)之間強(qiáng)度關(guān)聯(lián)以及相位關(guān)聯(lián)，讓 光和原子通過增強(qiáng)拉曼散射和受激拉曼散射過程在原子系綜中實(shí)現(xiàn)干涉。入射的拉曼散射 光場(chǎng)，受激拉曼的Stokes種子光場(chǎng)和讀光光場(chǎng)都是重合的。本發(fā)明較佳實(shí)施例中采用的銣 原子系綜15是純的熱的 87Rb原子系綜。87Rb原子被裝在一個(gè)50毫米的玻璃池中。這個(gè)原 子池加熱到80°C。銣原子系綜15的周圍還可設(shè)置赫姆霍茲線圈16來(lái)改變其中原子相干性 的相位。
[0034] 圖2顯示的是實(shí)現(xiàn)非線性光與原子干涉儀的原子能級(jí)和相應(yīng)的光頻圖。其中， 52S 1/2、52P1/2、52P3/2為 87Rb原子的精細(xì)結(jié)構(gòu)，F(xiàn) = 1、F = 2為精細(xì)結(jié)構(gòu)5S1/2的超精細(xì)分裂，其 能級(jí)差為6. 8GHz。虛線所示為87Rb原子的虛能級(jí)。若要實(shí)現(xiàn)非線性光與原子干涉儀，將原 子初態(tài)全部布居在5 2S1/2, F = 1基態(tài)能級(jí)，入射的拉曼光頻率設(shè)定在87Rb原子D1線（5S1/2， F = 1 - 5P1/2, 795nm)，藍(lán)移 1GHz。
[0035] 圖3顯示的是本發(fā)明非線性光與原子干涉儀的干涉方法的流程圖，其中包括如下 步驟：
[0036] 步驟一：第一光源1輸出的入射拉曼光場(chǎng)經(jīng)第二半波片10改變偏振后射入第一極 化分束器4內(nèi)發(fā)生分束，生成第一分束光與第二分束光，第一分束光射入第二極化分束器5 內(nèi)，第二分束光射入第一延時(shí)器13內(nèi)。
[0037] 步驟二：第二光源2輸出的入射信號(hào)光S0經(jīng)第三半波片11改變偏振后射入第二 極化分束器5內(nèi)與第一分束光發(fā)生重合，第一分束光射入銣原子系綜15內(nèi)產(chǎn)生入射拉曼散 射光場(chǎng)，入射信號(hào)光S0經(jīng)過入射拉曼散射光場(chǎng)中發(fā)生第一次拉曼散射，入射信號(hào)光S0被放 大并生成斯托克斯信號(hào)光場(chǎng)S1，以及在銣原子系綜15的內(nèi)部產(chǎn)生第一原子相干性A1?；?者在銣原子系綜15中預(yù)先制備原子相干性A0,在入射拉曼光場(chǎng)到銣原子系綜15中發(fā)生增 強(qiáng)拉曼散射，原子相干性A0被放大成原子相干性A1，同時(shí)產(chǎn)生斯托克斯信號(hào)光場(chǎng)S1。
[0038] 步驟三：斯托克斯信號(hào)光場(chǎng)S1經(jīng)過第三極化分束器6后射入第二延時(shí)器14,通過 第二延時(shí)器14后重新射入第三極化分束器6內(nèi)；第二分束光依次經(jīng)過第四極化分束器7、 第一半波片9后射入第三極化分束器6內(nèi)與斯托克斯信號(hào)光場(chǎng)S1發(fā)生重合；斯托克斯信號(hào) 光場(chǎng)S1與第二分束光射入銣原子系綜15內(nèi)，斯托克斯信號(hào)光場(chǎng)S1與第一原子相干性A1 發(fā)生第二次拉曼散射，合束的同時(shí)將斯托克斯信號(hào)光場(chǎng)S1和第一原子相干性A1進(jìn)一步放 大，生成放大的斯托克斯信號(hào)光場(chǎng)S2以及銣原子系綜15內(nèi)產(chǎn)生第二原子相干性A2。放大 的斯托克斯信號(hào)光場(chǎng)S2通過第五極化分束器8后射入光電探測(cè)器12內(nèi)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)第一原子 相干性A1。
[0039] 步驟四：此時(shí)第一光源1和第二光源2都已經(jīng)完成了和銣原子系綜15的相互作 用，關(guān)斷第一光源1和第二光源2。第三光源3輸出的讀光光場(chǎng)依次經(jīng)過第四極化分束器 7、第一半波片9和第三極化分束器6后射入銣原子系綜15內(nèi)與第二原子相干性A2發(fā)生耦 合生成反斯托克斯信號(hào)光場(chǎng)SI，反斯托克斯信號(hào)光場(chǎng)S1通過第五極化分束器8射入光電探 測(cè)器12內(nèi)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)第二原子相干性A2。
[0040] 本發(fā)明較佳實(shí)施例中，非線性光與原子干涉儀工作在脈沖模式下第一光源1的入 射拉曼光場(chǎng)、第二光源2的入射信號(hào)光S0 (即為Stokes種子光場(chǎng)）與第三光源3的讀光光 場(chǎng)均為脈沖模式。
[0041] 優(yōu)選地，步驟一中，進(jìn)一步包括：對(duì)銣原子系綜15加熱，銣原子系綜15的溫度為 80°C，銣原子系綜15的溫度高對(duì)應(yīng)大的介質(zhì)密度，在系綜密度大溫度高的時(shí)候拉曼散射的 效率更1?。
[0042] 更為具體地，第一光源1的半導(dǎo)體激光器作為入射拉曼光源，產(chǎn)生的拉曼光場(chǎng)的 功率在0. 8mW。第三光源3的半導(dǎo)體激光器作為讀光光場(chǎng)，產(chǎn)生的讀光光場(chǎng)的功率在209mW。 第二光源2是用于受激拉曼的Stokes種子光場(chǎng)，這個(gè)Stokes光場(chǎng)的頻率和入射拉曼光場(chǎng) 頻率相差6. 8GHz。Stokes光場(chǎng)和入射拉曼光場(chǎng)頻率與銣原子兩個(gè)基態(tài)是雙光子共振，功率 是3yW。這幾個(gè)光的功率可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0043] 若要實(shí)現(xiàn)非線性光與原子干涉儀，入射拉曼光頻率設(shè)定在87Rb原子D1線（5S 1/2， F = 1 - 5P1/2, 795nm)，藍(lán)移 1GHz。讀光頻率設(shè)定在 87Rb 原子 D1 線（5S1/2, F = 2 - 5P1/2， 795nm)共振。受激拉曼的Stokes種子光場(chǎng)，這個(gè)Stokes光場(chǎng)的頻率和入射拉曼光場(chǎng)頻率 相差6. 8GHz，Stokes光場(chǎng)和入射拉曼光場(chǎng)頻率與銣原子兩個(gè)基態(tài)是雙光子共振。拉曼光 場(chǎng)，Stokes種子光場(chǎng)和讀光光場(chǎng)的光斑直徑分別是0. 8mm，0. 6mm，1mm。
[0044] 根據(jù)統(tǒng)計(jì)分布律，87Rb原子系綜在熱平衡下遵從玻爾茲曼分布N?W exp (- β E)， 其中W為能級(jí)E的簡(jiǎn)并度，β = 1/KT，K為玻爾茲曼常數(shù)。這樣87Rb原子系綜原子幾乎都 分布在5S1/2, F = 1，2這個(gè)兩個(gè)能級(jí)較低的能級(jí)上，而在激發(fā)態(tài)5P1/2, 5P3/2上幾乎沒有原子 分布。5S1/2，F(xiàn)= 1，2兩個(gè)能級(jí)很接近，所有原子的布居很接近。為了提高拉曼散射效率，拉 曼散射之前要進(jìn)行原子初態(tài)制備操作，讓所有原子都布居在5S 1/2, F = 1上，這一操作過程 可以通過光學(xué)泵浦實(shí)現(xiàn)，泵浦光是脈沖模式的，時(shí)序在入射拉曼光場(chǎng)之前，頻率設(shè)定至87Rb 原子D2線（5S1/2, F = 2 - 5P3/2, 780nm)共振，把原子抽運(yùn)到5S1/2, F = 1能級(jí)。
[0045] 入射拉曼光場(chǎng)和Stokes種子光場(chǎng)S0合束入射到處于基態(tài)能級(jí)的銣原子系綜15 發(fā)生受激拉曼散射過程，會(huì)產(chǎn)生Stokes光場(chǎng)信號(hào)1和原子能級(jí)相干性Al。Stokes光場(chǎng)信 號(hào)S1在銣原子系綜15中產(chǎn)生后，會(huì)從銣原子系綜15中射出來(lái)，而原子相干性A1會(huì)一直留 在銣原子系綜15里面。這個(gè)受激拉曼過程產(chǎn)生Stokes光場(chǎng)S1和原子相干性A1具有相位 關(guān)聯(lián)和強(qiáng)度關(guān)聯(lián)。這個(gè)受激拉曼過程是非線性干涉儀的分束過程，是個(gè)非線性分束器。
[0046] 產(chǎn)生的Stokes光場(chǎng)S1從銣原子系綜15中出射進(jìn)入延時(shí)器14進(jìn)行延時(shí)，重新反 射至銣原子系綜15。這時(shí)另外一路入射拉曼光場(chǎng)經(jīng)過延時(shí)器延時(shí)后，與延時(shí)的S1光場(chǎng)一起 射入銣原子系綜15發(fā)生第二次拉曼散射。第二次拉曼散射跟第一次拉曼散射有很大的不 同。由于反射回來(lái)的S1光場(chǎng)和留在原子系綜中的原子相干性A1有相位關(guān)聯(lián)和強(qiáng)度關(guān)聯(lián)， 使得第二次拉曼散射在對(duì)S1光信號(hào)和原子相干性A1進(jìn)行放大的同時(shí)，發(fā)生光與原子干涉。
[0047] 每個(gè)干涉儀有兩路輸出，全光干涉儀的兩路輸出都是光場(chǎng)，原子干涉儀的兩路輸 出都是原子束，這個(gè)非線性光與原子干涉儀的其中一路是Stokes光場(chǎng)信號(hào)S2,另一路是留 在原子系綜里面的原子相干性A2?？梢岳米x光把留在銣原子系綜15里面的原子相干性 A2讀取出來(lái)轉(zhuǎn)化成為反斯托克斯信號(hào)光場(chǎng)。
[0048] 相比傳統(tǒng)的全光干涉儀，本發(fā)明非線性光與原子干涉儀可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大，在 合束和分束的過程都能對(duì)信號(hào)起到到放大的作用，在整個(gè)的過程中信號(hào)可以被放大約100 倍。可以提高干涉儀的靈敏度。同時(shí)非線性光與原子干涉儀的一個(gè)輸出端的信號(hào)可以自動(dòng) 的實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)，相當(dāng)于自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)了對(duì)相位信息的存儲(chǔ)。同時(shí)非線性光與原子干涉儀不僅可 以用光場(chǎng)感受相位的改變，而且可以用原子來(lái)感受磁場(chǎng)的變化，從而用于磁場(chǎng)的測(cè)量。
[0049] 本發(fā)明的保護(hù)內(nèi)容不局限于以上實(shí)施例。在不背離發(fā)明構(gòu)思的精神和范圍下，本 領(lǐng)域技術(shù)人員能夠想到的變化和優(yōu)點(diǎn)都被包括在本發(fā)明中，并且以所附的權(quán)利要求書為保 護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種非線性光與原子干涉儀，其特征在于，包括：第一光源（1)、第二光源（2)、第三 光源（3)、第一極化分束器（4)、第二極化分束器（5)、第三極化分束器（6)、第四極化分束器 (7) 、第五極化分束器（8)、第一半波片（9)、第二半波片（10)、第三半波片（11)、光電探測(cè)器 (12)、第一延時(shí)器（13)、第二延時(shí)器（14)和銣原子系綜（15); 沿所述第一光源（1)輸出的入射拉曼光場(chǎng)方向依次設(shè)置有所述第二半波片（10)、所述 第一極化分束器（4)和所述第一延時(shí)器（13); 沿所述第二光源（2)輸出的入射信號(hào)光（S0)方向依次設(shè)置有所述第五極化分束器 (8) 、所述第三半波片（11)、所述第二極化分束器（5)、所述銣原子系綜（15)、第三極化分束 器（6)和所述第二延時(shí)器（14)，所述第二延時(shí)器（14)輸出的信號(hào)光返回所述第三極化分束 器（6);沿所述第五極化分束器（5)的折射方向設(shè)置有所述光電探測(cè)器（12);所述第一極 化分束器（4)與所述第二極化分束器（5)的折射方向重合； 所述第三光源（3)輸出的讀光光場(chǎng)沿折射方向射入所述第四極化分束器（7)內(nèi)，所述 第一延時(shí)器（13)的輸出沿入射方向射入所述第四極化分束器（7)內(nèi)，沿所述第四極化分束 器（7)的透射方向依次設(shè)置有所述第一半波片（9)與所述第三極化分束器￠)，所述第四極 化分束器（7)的透射方向與所述第三極化分束器￠)的折射方向重合。
2. 如權(quán)利要求1所述的非線性光與原子干涉儀，其特征在于，所述第二光源（2)的入射 信號(hào)光（S0)是由所述第一光源（1)的入射拉曼光場(chǎng)經(jīng)過移頻器后產(chǎn)生的。
3. 如權(quán)利要求1所述的非線性光與原子干涉儀，其特征在于，所述第一延時(shí)器（13)與 所述第二延時(shí)器（14)包括單模光纖或電磁誘導(dǎo)設(shè)備。
4. 如權(quán)利要求1所述的非線性光與原子干涉儀，其特征在于，所述第二延時(shí)器（14)內(nèi) 進(jìn)一步設(shè)置壓電陶瓷。
5. 如權(quán)利要求1所述的非線性光與原子干涉儀，其特征在于，所述銣原子系綜（15)的 周圍設(shè)置有赫姆霍茲線圈（16)。
6. -種如權(quán)利要求1-5之任一項(xiàng)所述的非線性光與原子干涉儀的干涉方法，其特征在 于，包括如下步驟： 步驟一：第一光源（1)輸出的入射拉曼光場(chǎng)經(jīng)第二半波片（10)改變偏振后射入第一極 化分束器（4)內(nèi)發(fā)生分束，生成第一分束光與第二分束光，所述第一分束光射入第二極化 分束器（5)內(nèi)，所述第二分束光射入第一延時(shí)器（13)內(nèi)； 步驟二：第二光源（2)輸出的入射信號(hào)光（S0)經(jīng)第三半波片（11)改變偏振后射入 所述第二極化分束器（5)內(nèi)與所述第一分束光發(fā)生重合，所述第一分束光射入銣原子系綜 (15)內(nèi)產(chǎn)生入射拉曼散射光場(chǎng)，所述入射信號(hào)光（S0)經(jīng)過所述入射拉曼散射光場(chǎng)中發(fā)生 第一次拉曼散射，生成斯托克斯信號(hào)光場(chǎng)，并在所述銣原子系綜（15)的內(nèi)部產(chǎn)生第一原子 相干性（A1); 步驟三：所述斯托克斯信號(hào)光場(chǎng)經(jīng)過第三極化分束器（6)后射入第二延時(shí)器（14)，通 過所述第二延時(shí)器（14)后重新射入所述第三極化分束器（6)內(nèi)；所述第二分束光依次經(jīng)過 第四極化分束器（7)、第一半波片（9)后射入所述第三極化分束器（6)內(nèi)與所述斯托克斯信 號(hào)光場(chǎng)發(fā)生重合；所述斯托克斯信號(hào)光場(chǎng)與所述第二分束光射入所述銣原子系綜（15)內(nèi)， 所述斯托克斯信號(hào)光場(chǎng)與所述第一原子相干性（A1)發(fā)生第二次拉曼散射，生成放大的斯 托克斯信號(hào)光場(chǎng)以及所述銣原子系綜（15)內(nèi)產(chǎn)生第二原子相干性（A2)，所述放大的斯托 克斯信號(hào)光場(chǎng)通過所述第五極化分束器（8)后射入所述光電探測(cè)器（12)內(nèi)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)所述 第一原子相干性（A1); 步驟四：關(guān)斷所述第一光源（1)和所述第二光源（2);所述第三光源（3)輸出的讀光光 場(chǎng)依次經(jīng)過所述第四極化分束器（7)、第一半波片（9)和所述第三極化分束器（6)后射入所 述銣原子系綜（15)內(nèi)與所述第二原子相干性（A2)發(fā)生耦合生成反斯托克斯信號(hào)光場(chǎng)，所 述反斯托克斯信號(hào)光場(chǎng)通過所述第五極化分束器（8)射入所述光電探測(cè)器（12)內(nèi)實(shí)現(xiàn)檢 測(cè)所述第二原子相干性（A2)。
7. 如權(quán)利要求6所述的干涉方法，其特征在于，所述第一光源（1)輸出的入射拉曼光場(chǎng) 與所述第二光源（2)輸出的入射信號(hào)光（SO)滿足雙光子共振條件。
8. 如權(quán)利要求6所述的干涉方法，其特征在于，所述步驟一之前進(jìn)一步包括：所述銣原 子系綜（15)內(nèi)的銣原子的原子初態(tài)均預(yù)先制備到單個(gè)原子基態(tài)能級(jí)。
9. 如權(quán)利要求6所述的干涉方法，其特征在于，所述銣原子系綜（15)的溫度為80攝氏 度。
10. 如權(quán)利要求6所述的干涉方法，其特征在于，所述步驟三中進(jìn)一步包括：利用赫姆 霍茲線圈（16)改變所述第一原子相干性（A1)的相位，利用所述第二延時(shí)器（14)改變所述 斯托克斯信號(hào)光場(chǎng)的相位，實(shí)現(xiàn)改變所述放大的斯托克斯信號(hào)光場(chǎng)以及所述第二原子相干 性（A2)的強(qiáng)度。
【文檔編號(hào)】G02F1/35GK104122735SQ201410312848
【公開日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月2日
【發(fā)明者】陳麗清, 陳冰, 邱誠(chéng), 張衛(wèi)平 申請(qǐng)人:華東師范大學(xué)