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Laser & Optoelectronics Progress

基于超冷铒原子的双波长激光光纤相位噪声抑制

廖文敏 Liao Wenmin, 张思慧 Zhang Sihui, 段玉青 Duan Yuqing, 王杰 Wang Jie, 武海斌 Wu Haibin

Published Jan 1, 2024• 0 citations
Publisher

Abstract

以超冷铒原子系统冷却光的基频光作为探测光，主动补偿激发铒原子赫兹线宽能级跃迁的激光在光纤传输中引入的附加相位噪声。在不影响原有被传输亚赫兹线宽激光（1299 nm）的情况下，将相近波长的宽线宽基频光（1166 nm）从光纤输出端反向注入，实施外差拍频探测并主动反馈补偿。当两个波长激光的光纤传输噪声基本一致时，可极大地抑制亚赫兹线宽激光在光纤传输中由于温度和振动等因素引起的各种相位噪声。主动补偿后传输激光的线宽从锁定前的14.6 Hz压窄到锁定后的11.6 mHz，光频传输的1000 s稳定度从1.6×10-16提升到6.5×10-19，满足当前最高精度和稳定度光钟的光频传输需求。所发展的光频传送方案可作为被传输激光器功率不足或空间受限时的替代方案，也可用在单点对多点近距离传输网络中简化源端发送装置。

DOI
10.3788/lop231135

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原子激发态超精细能级跃迁的光谱技术研究

郑蓝蓝 Zheng Lanlan, 杨保东 Yang Baodong, 白君利 Bai Junli +1 more

基于铯原子133Cs 6S1/2→6P3/2→6D5/2 （852 nm+917 nm）阶梯形能级系统，演示了一种经荧光探测获得原子激发态超精细能级之间跃迁信号的光谱（AESVFD）技术：在852 nm、917 nm两波长激光级联激发下，将铯原子由基态6S1/2布居到激发态6D5/2上，而后原子经7P3/2→6S1/2跃迁通道自发辐射出456 nm荧光，对此荧光探测获得了激发态6P3/2F′=5→ 6D5/2F″=6超精细能级跃迁的光谱信号。比较了852 nm与917 nm激光束同向、反向传播作用于铯原子时的AESVFD信号差异，发现反向实验构型下的AESVFD信号较同向构型的信噪比明显要高且线宽更窄。实验上系统测量了AESVFD对原子气室温度、泵浦光偏振、功率及频率失谐的依赖关系，分析了窄线宽、高信噪比AESVFD信号获得的实验条件，所得最窄AESVFD信号的线宽小于5.0 MHz，接近于激发态6P3/2的自然线宽5.2 MHz。精密光谱的测量对原子能级结构的探索、原子理论模型的检验等具有重要的意义。

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我們建立了一套 885 nm 穩頻雷射系統，透過電光調製器光纖，將雷射鎖在銫原子6S1/2 F=3到6D3/2 F=5的交叉譜線上，掃描銫原子6S1/2 F=4 到6D3/2 F=2,3,4,5的躍遷;同樣地，我們將雷射鎖在銫原子6S1/2 F=4 到6D3/2 F=3的交叉譜線上，掃描銫原子6S1/2 F=3到6D3/2 F=2,3,4,5的躍遷，藉此便可得到銫原子6D 3/2的超精細結構。此次我們所量得的 6S 1/2 F=3 到6D 3/2 F=2,3,4,5的躍遷間距分別為，81.767(29) MHz、65.315(19) MHz、49.148(23) MHz，其超精細耦合常數 A 與 B 分別為 16.346(2)、0.058(17)；S 1/2 F=4 到6D3/2 F=2,3,4,5的躍遷間距分別為， 81.763(17) MHz、65.320(19) MHz、49.149(3) MHz，其超精細耦合常數 A 與 B 分別為 16.331(3)、0.067(16)。 建立 885 nm 穩頻雷射的另一個目的是為了作為光梳雷射的參考頻率，透過我們實驗室的 822 nm 穩頻雷射，與此次我們所建立的885 nm 穩頻雷射，便可回授控制鈦藍寶石雷射的腔長，鎖住脈衝重覆率，以及回授控制AOM，鎖住鈦藍寶石雷射的偏移頻率，便可得到一穩定之光梳雷射。將頻率鎖在銫原子6S-8S躍遷(822 nm)與6S-6D躍遷(885 nm)的光梳頻雷射，其短期頻率穩定度優於以銫原子鐘做為參考的自參考光梳雷射。

•Jul 27, 2015•0 citations

铯原子激发态超窄带宽光学滤波器研究

赵韩帅 Zhao Hanshuai, 杨保东 Yang Baodong, 薛朝 Xue Zhao +1 more

基于铯原子6S1/2-6P3/2-6D5/2（852 nm+917 nm）阶梯型能级结构，以波长为852 nm圆偏振光作为泵浦光，将原子由基态6S1/2布居到中间激发态6P3/2，并将原子介质极化。波长为917 nm线偏振光作为信号光通过极化的原子介质后，其偏振面发生了旋转，从而实现了工作波长为917 nm非线性光学滤波器。实验上详细测量、分析了泵浦光功率、原子气室温度，以及泵浦光与信号光同、反向实验构型对该非线性光学滤波器性能的影响，在优化的实验参数下，该滤波器的峰值透射率可达20%，等效噪声带宽<60 MHz。超窄带宽的光学滤波器在原子钟、自由空间光通信、激光遥感系统等领域具有潜在的应用价值。

Chinese Journal of Lasers•Jan 1, 2024•1 citation

面向频分复用量子通信的边带纠缠光源实验制备

Shao-Ping Shi, 武奕淼 Yi-miao WU, 刘璇 Xuan LIU +2 more

量子边带纠缠作为一种重要的量子资源，可以通过主动路由的方式将其分配至系统的多个节点，实现多通道、大容量的量子信息处理。利用基于非线性晶体的光学参量下转换过程，可以制备大量的纠缠边带模式，然而在提取及操控这些模式时仍面临挑战。本文提出了一种频率梳种子注入的优化控制方案，利用马赫−曾德尔干涉仪结构的光纤耦合波导振幅调制器对基频光场进行频率调制，制备与纠缠边带模式具有相同频率分布的相干辅助光场，通过将其与光学参量振荡腔输出的空间模式耦合，成功制备了具有相干振幅的明亮边带纠缠光场。结合高效模式滤波、低损耗反馈控制及时间延迟补偿等技术，我们实现了对纠缠边带模式的稳定控制及高效探测。在实验中，我们实现了多对纠缠边带模式的同时探测，测得的正交振幅与正交位相分量的量子关联度在1～15 MHz的带宽内均超过6.0 dB。该方案为纠缠边带模式的控制和扩展提供了一种简单高效的方法，可以进一步被应用于实现多通道复用的量子通信中。

Acta Sinica Quantum Optica•Jan 1, 2024•1 citation

用于冷原子实验的一维折射型光束扫描系统

冯涛 Feng Tao, 杨鹏飞 Yang Pengfei, 范青 Fan Qing +4 more

利用可旋转楔形棱镜（振镜）的光折射效应，实现一维受控的高精度光束扫描系统，并将其用于产生移动的光学偶极阱系统，能够使冷原子在空间内实现大范围绝热转移。光学偶极阱由一束准直的大功率1064 nm激光通过透镜强聚焦形成，其束腰半径为（21.9±0.4） μm。通过设计振镜与透镜之间的距离以及控制振镜的偏转角度，能够使偶极阱束腰在一维方向上实现高精度可控移动，通过设计偶极阱束腰位置移动的加速度形式，能够使偶极阱在22.5 ms内绝热移动7 mm。在平移过程中，光学偶极阱功率起伏为±3.45%，束腰位置在垂直于移动方向上的起伏为共焦参数的±1.7%。利用该系统，可以在30 ms内将原子转移5 mm，原子转移效率大于90.0%，温度变化小于5 μK；当转移时间为45 ms时，原子转移效率达（99.6±4.6）%。通过改善电机响应，最快可在10 ms 内将原子绝热地转移1 mm，原子转移效率为（94.3±3.6）%。该光束扫描系统具有通光孔径大（高斯直径>10 mm）、光损耗极小、噪声低和在移动过程中光频率不变化等优势，能够广泛应用于冷原子及单原子阵列实验中的原子转移和寻址。

Acta Optica Sinica•Jan 1, 2024•1 citation

Cs 455 nm Nonlinear Spectroscopy with Ultra-narrow Linewidth

Dongying Wang, Yanfei Wang, Zhiming Tao +4 more

Nonlinear spectroscopy has become a useful tool in laser cooling, frequency stabilization and so on. We use the 455.5 nm light beam output of an external cavity diode laser to perform the saturation spectroscopy signal and polarization spectroscopy signal on the 6S 1/2 → 7P 3/2 transition in cesium. The measured linewidth of the F4 → 4, 5 transition is as narrow as 1.40 MHz and that of the F3 → 2,3 transition is 1.67 MHz. Both of them are very close to the natural linewidth of about 1.2 MHz. Our result is the narrowest measured linewidth of Cs 455 nm saturation spectroscopy signal to our knowledge.

Chinese Physics Letters•Jun 1, 2013•8 citations
以超冷铒原子系统冷却光的基频光作为探测光，主动补偿激发铒原子赫兹线宽能级跃迁的激光在光纤传输中引入的附加相位噪声。在不影响原有被传输亚赫兹线宽激光（1299 nm）的情况下，将相近波长的宽线宽基频光（1166 nm）从光纤输出端反向注入，实施外差拍频探测并主动反馈补偿。当两个波长激光的光纤传输噪声基本一致时，可极大地抑制亚赫兹线宽激光在光纤传输中由于温度和振动等因素引起的各种相位噪声。主动补偿后传输激光的线宽从锁定前的14.6 Hz压窄到锁定后的11.6 mHz，光频传输的1000 s稳定度从1.6×10-16提升到6.5×10-19，满足当前最高精度和稳定度光钟的光频传输需求。所发展的光频传送方案可作为被传输激光器功率不足或空间受限时的替代方案，也可用在单点对多点近距离传输网络中简化源端发送装置。
基于铯原子133Cs 6S1/2→6P3/2→6D5/2 （852 nm+917 nm）阶梯形能级系统，演示了一种经荧光探测获得原子激发态超精细能级之间跃迁信号的光谱（AESVFD）技术：在852 nm、917 nm两波长激光级联激发下，将铯原子由基态6S1/2布居到激发态6D5/2上，而后原子经7P3/2→6S1/2跃迁通道自发辐射出456 nm荧光，对此荧光探测获得了激发态6P3/2F′=5→ 6D5/2F″=6超精细能级跃迁的光谱信号。比较了852 nm与917 nm激光束同向、反向传播作用于铯原子时的AESVFD信号差异，发现反向实验构型下的AESVFD信号较同向构型的信噪比明显要高且线宽更窄。实验上系统测量了AESVFD对原子气室温度、泵浦光偏振、功率及频率失谐的依赖关系，分析了窄线宽、高信噪比AESVFD信号获得的实验条件，所得最窄AESVFD信号的线宽小于5.0 MHz，接近于激发态6P3/2的自然线宽5.2 MHz。精密光谱的测量对原子能级结构的探索、原子理论模型的检验等具有重要的意义。
我們建立了一套 885 nm 穩頻雷射系統，透過電光調製器光纖，將雷射鎖在銫原子6S1/2 F=3到6D3/2 F=5的交叉譜線上，掃描銫原子6S1/2 F=4 到6D3/2 F=2,3,4,5的躍遷;同樣地，我們將雷射鎖在銫原子6S1/2 F=4 到6D3/2 F=3的交叉譜線上，掃描銫原子6S1/2 F=3到6D3/2 F=2,3,4,5的躍遷，藉此便可得到銫原子6D 3/2的超精細結構。此次我們所量得的 6S 1/2 F=3 到6D 3/2 F=2,3,4,5的躍遷間距分別為，81.767(29) MHz、65.315(19) MHz、49.148(23) MHz，其超精細耦合常數 A 與 B 分別為 16.346(2)、0.058(17)；S 1/2 F=4 到6D3/2 F=2,3,4,5的躍遷間距分別為， 81.763(17) MHz、65.320(19) MHz、49.149(3) MHz，其超精細耦合常數 A 與 B 分別為 16.331(3)、0.067(16)。 建立 885 nm 穩頻雷射的另一個目的是為了作為光梳雷射的參考頻率，透過我們實驗室的 822 nm 穩頻雷射，與此次我們所建立的885 nm 穩頻雷射，便可回授控制鈦藍寶石雷射的腔長，鎖住脈衝重覆率，以及回授控制AOM，鎖住鈦藍寶石雷射的偏移頻率，便可得到一穩定之光梳雷射。將頻率鎖在銫原子6S-8S躍遷(822 nm)與6S-6D躍遷(885 nm)的光梳頻雷射，其短期頻率穩定度優於以銫原子鐘做為參考的自參考光梳雷射。
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量子边带纠缠作为一种重要的量子资源，可以通过主动路由的方式将其分配至系统的多个节点，实现多通道、大容量的量子信息处理。利用基于非线性晶体的光学参量下转换过程，可以制备大量的纠缠边带模式，然而在提取及操控这些模式时仍面临挑战。本文提出了一种频率梳种子注入的优化控制方案，利用马赫−曾德尔干涉仪结构的光纤耦合波导振幅调制器对基频光场进行频率调制，制备与纠缠边带模式具有相同频率分布的相干辅助光场，通过将其与光学参量振荡腔输出的空间模式耦合，成功制备了具有相干振幅的明亮边带纠缠光场。结合高效模式滤波、低损耗反馈控制及时间延迟补偿等技术，我们实现了对纠缠边带模式的稳定控制及高效探测。在实验中，我们实现了多对纠缠边带模式的同时探测，测得的正交振幅与正交位相分量的量子关联度在1～15 MHz的带宽内均超过6.0 dB。该方案为纠缠边带模式的控制和扩展提供了一种简单高效的方法，可以进一步被应用于实现多通道复用的量子通信中。
利用可旋转楔形棱镜（振镜）的光折射效应，实现一维受控的高精度光束扫描系统，并将其用于产生移动的光学偶极阱系统，能够使冷原子在空间内实现大范围绝热转移。光学偶极阱由一束准直的大功率1064 nm激光通过透镜强聚焦形成，其束腰半径为（21.9±0.4） μm。通过设计振镜与透镜之间的距离以及控制振镜的偏转角度，能够使偶极阱束腰在一维方向上实现高精度可控移动，通过设计偶极阱束腰位置移动的加速度形式，能够使偶极阱在22.5 ms内绝热移动7 mm。在平移过程中，光学偶极阱功率起伏为±3.45%，束腰位置在垂直于移动方向上的起伏为共焦参数的±1.7%。利用该系统，可以在30 ms内将原子转移5 mm，原子转移效率大于90.0%，温度变化小于5 μK；当转移时间为45 ms时，原子转移效率达（99.6±4.6）%。通过改善电机响应，最快可在10 ms 内将原子绝热地转移1 mm，原子转移效率为（94.3±3.6）%。该光束扫描系统具有通光孔径大（高斯直径>10 mm）、光损耗极小、噪声低和在移动过程中光频率不变化等优势，能够广泛应用于冷原子及单原子阵列实验中的原子转移和寻址。
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