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Chinese Journal of Lasers

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, 郑蓝蓝 Zheng Lanlan

Published Jan 1, 2024• 1 citation
Publisher

Abstract

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。

DOI
10.3788/cjl231228

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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。

Laser & Optoelectronics Progress•Jan 1, 2025•2 citations

基于商用型空心阴极灯实现的法拉第反常色散原子滤光器

缑芝玉 Gou Zhiyu, 杨保东 Yang Baodong, 赵韩帅 Zhao Hanshuai +1 more

基于铯原子6S1/2-6P3/2跃迁线，在商用型空心阴极灯中，实现了工作波长为852 nm的法拉第反常色散原子滤光器（FADOF）：当铯空心阴极灯工作电流在 1~4 mA范围内时，可获得单峰、共振的线芯式FADOF；当铯空心阴极灯工作电流在 6~10 mA范围内时，可获得线翼式FADOF。实验上系统测量了工作电流、轴向磁场强度、信号光功率对FADOF性能的影响，优化参数下该滤光器的透射率高达77%。

Acta Optica Sinica•Jan 1, 2023•2 citations

基于双四波混频过程在铯原子气室中产生相干蓝光

刘珂鑫 Liu Kexin, 吕昕勃 Lü Xinbo, 赵成浩 Zhao Chenghao +2 more

蓝紫激光在激光制图、数据存储、水下通信、生物学和医学等领域中有着重要应用价值。利用中性碱金属原子，通过四波混频非线性过程，制备紫外、红外以及太赫兹波段等相干光源是一种可行的技术。在铯原子的两个钻石能级系统6S1/2→6P3/2→6D3/2→7P3/2→6S1/2和6S1/2→6P3/2→6D3/2→7P1/2→6S1/2中，当波长为852 nm和921 nm的两束高功率泵浦激光同时作用于6S1/2→6P3/2跃迁和6P3/2→6D3/2跃迁时，在加热的铯原子气室中会发生双四波混频过程。通过频率转换生成了波长为455 nm（7P3/2→6S1/2）和459 nm（7P1/2→6S1/2）的两束相干蓝光，在无重泵浦光情况下利用852 nm和921 nm泵浦光制备出455 nm和459 nm两束相干蓝光，同时研究了两束泵浦激光的失谐、功率以及铯原子气室温度与产生的两束蓝光强度的关系。

Chinese Journal of Lasers•Jan 1, 2025•1 citation

銫原子 6S-6D 雙光子超精細耦合常數

廖文聖

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

里德伯原子系统解调微波调幅信号的线性工作点研究

金袁凯 Jin Yuankai, 饶睿坚 Rao Ruijian, 吴金云 Wu Jinyun +1 more

研究了里德伯原子系统采用直接解调法对微波调幅信号进行解调时的工作点与基带信号非线性失真之间的关系。首先，利用里德伯原子的电极化率理论表达式，得到在耦合光、探测光和微波的频率均为零失谐条件下，里德伯原子系统对微波调幅信号的解调模型；然后，计算探测光透射率对微波拉比频率的一阶导数和二阶导数，并利用二阶导数为0这一条件，得到里德伯原子汽室的非线性失真最小的点，即最佳线性工作点；最后，采用总谐波失真（THD）来分别研究里德伯原子汽室的静态工作点、基带信号的幅度与解调所引起的非线性失真之间的关系。仿真结果表明，对于里德伯原子133Cs（采用能级6S1/2、6P3/2、47D5/2、48P3/2），当耦合光拉比频率为2π×2.7 MHz，并且调幅微波基带信号的电场强度幅值为1 mV/m时，工作在最佳线性工作点附近的原子汽室所引入的THD可低至-95.4984 dB。

Acta Optica Sinica•Jan 1, 2023•0 citations

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 +2 more

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。

Laser & Optoelectronics Progress•Jan 1, 2024•0 citations
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。
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。
蓝紫激光在激光制图、数据存储、水下通信、生物学和医学等领域中有着重要应用价值。利用中性碱金属原子，通过四波混频非线性过程，制备紫外、红外以及太赫兹波段等相干光源是一种可行的技术。在铯原子的两个钻石能级系统6S1/2→6P3/2→6D3/2→7P3/2→6S1/2和6S1/2→6P3/2→6D3/2→7P1/2→6S1/2中，当波长为852 nm和921 nm的两束高功率泵浦激光同时作用于6S1/2→6P3/2跃迁和6P3/2→6D3/2跃迁时，在加热的铯原子气室中会发生双四波混频过程。通过频率转换生成了波长为455 nm（7P3/2→6S1/2）和459 nm（7P1/2→6S1/2）的两束相干蓝光，在无重泵浦光情况下利用852 nm和921 nm泵浦光制备出455 nm和459 nm两束相干蓝光，同时研究了两束泵浦激光的失谐、功率以及铯原子气室温度与产生的两束蓝光强度的关系。
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。
研究了里德伯原子系统采用直接解调法对微波调幅信号进行解调时的工作点与基带信号非线性失真之间的关系。首先，利用里德伯原子的电极化率理论表达式，得到在耦合光、探测光和微波的频率均为零失谐条件下，里德伯原子系统对微波调幅信号的解调模型；然后，计算探测光透射率对微波拉比频率的一阶导数和二阶导数，并利用二阶导数为0这一条件，得到里德伯原子汽室的非线性失真最小的点，即最佳线性工作点；最后，采用总谐波失真（THD）来分别研究里德伯原子汽室的静态工作点、基带信号的幅度与解调所引起的非线性失真之间的关系。仿真结果表明，对于里德伯原子133Cs（采用能级6S1/2、6P3/2、47D5/2、48P3/2），当耦合光拉比频率为2π×2.7 MHz，并且调幅微波基带信号的电场强度幅值为1 mV/m时，工作在最佳线性工作点附近的原子汽室所引入的THD可低至-95.4984 dB。
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。