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Chinese Journal of Lasers

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, 武寄洲 Wu Jizhou, Jie Ma

Published Jan 1, 2025• 1 citation
Publisher

Abstract

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。

DOI
10.3788/cjl240961

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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

用于压缩态产生的低损耗氮化硅微环谐振腔制备及测试

白捷仁 Jieren BAI, 周笑艳 Xiaoyan ZHOU, Xueshi Guo +2 more

集成光子芯片为压缩态光场的产生提供了一个可靠和易于扩展的平台。基于低损耗氮化硅微环谐振腔的四波混频过程是产生压缩态光场的重要途径。本文基于氮化硅材料平台，优化了高质量氮化硅薄膜的制备工艺和微环谐振腔的加工过程，制备出多种尺寸和结构的低损耗氮化硅微环谐振腔。通过搭建的测试系统，系统分析了这些微环谐振腔的透射率、耦合状态和品质因子。实验结果表明，所制备的微环谐振腔具有稳定的本征品质因子，其中横截面尺寸为2000 nm′290 nm微环谐振腔的本征品质因子可达1.5′106，对应的波导传输损耗约为0.23 dB/cm。理论计算表明，该结构最优能够产生片上约9 dB的压缩态光场，当考虑总检测效率为40%时，预估可以直接观察到2 dB的压缩态。该研究为片上产生高质量的连续变量压缩态提供了实验基础。

Acta Sinica Quantum Optica•Jan 1, 2025•0 citations

H2诱导Cs（6DJ→Cs（7PJ′）碰撞转移截面

周冬冬, 王大贵, 王雪燕 +3 more

Cs蒸气置于十字交叉加热炉中,充入不同气压的H2,激光双光子激发Cs原子至6D3/2态,利用原子荧光光谱方法,研究了H2诱导6DJ→7PJ,的碰撞能量转移。测量不同氢气密度下直接6D3/2→6P3/2和敏化6D5/2→6P3/2,7P3/2→6S1/2和7P1/2→6S1/2的时间积分荧光强度,利用四粒子的速率方程分析,得到了6D3/2→7P3/2,6D3/2→7P1/2,6D5/2→7P3/2和6D5/2→7P1/2碰撞转移截面分别为（3.1±0.8）×10^-16,（1.7±0.4）×10^-16,（1.5±0.4）×10^-16,（1.3±0.3）×10^-16cm^2。7PJ′态的猝灭截面分别为（2.5±0.6）×10^-16cm^2（对7P3/2）和（4.0±1.0）×10^-16cm^2（对7P1/2）,它们主要是通过Cs（7PJ′）＋H2→CsH＋H反应产生的,而反应的相对活动性顺序为7P1/2〉7P3/2。

Jiguang zazhi•Jan 1, 2010•0 citations

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

Cross sections for Cs(6D_J)→Cs(7P_(J~′)) collisional transfer processes induced by H_2

Yifan Shen

Cs vapor was created in a resistively heated,cross-shaped stainless-steel heat-pipe oven with quartz windows.H2 gas filled in the cell for use both as a buffer gas and as a reaction partner.Cs atoms were excited to 6D3/2 state by two-photon absorption.The 7P1/2 and 7P3/2 were populated by the radiative and collisional 6DJ→7PJ′ transition.The cross sections for 6DJ7PJ′ transfer induced by collision with H2 molecules have been determined using methods of atomic fluorescence.The resulting fluorescence included a direct component emitted in the decay of the optically excited state and sensitive component arising from collisionally populated states.The time-integrated fluorescence intensities for atomic transitions 6D5/2→6P3/2,6D3/2→6P3/2,7P3/2→6S1/2 and 7P1/2→6S1/2 were measured at the defferent H2 densities.The relative time-integrated population densities were obtained as a function of H2 densities.By the set of the rate equations,the cross-sections have been determined to be σ6D3/27P3/2=(3.1±0.8)×10-16cm2,σ6D3/27P1/2=(1.7±0.4)×10-16cm2,σ6D5/27P3/2=(1.5±0.4)×10-16cm2 and σ6D5/27P1/2=(1.3±0.3)×10-16 cm2.The cross sections for quenching of 7PJ′ by H2 are(2.5±0.6)×10-16 cm2(for 7P3/2) and(4.0±1.0)×10-16 cm2(for 7P1/2).Evidence suggests that the substantial fraction of quenching cross section is reactive.The relative reactivity with H2 is an order 7P1/27P3/2.

Jiguang zazhi•Jan 1, 2010•0 citations

波数失配调控的双通道电磁诱导透明与吸收切换

Chenjie WANG, 西安工程大学 理学院，陕西 西安 710048, Ziyi WU +3 more

提出了一种在室温多普勒展宽铷原子系统中实现双通道电磁诱导透明与电磁诱导吸收高效切换的方案。基于Y型四能级结构，采用缀饰微扰链方法，推导了探测场传输谱对波数失配、探测场强度及耦合场失谐的解析表达式。研究结果表明，通过将一子系统的探测场与耦合场波长设为相近（如780 nm与776 nm），可有效抑制多普勒展宽；另一子系统采用短波长耦合场（如480 nm）并匹配低衰减率激发态（如44D5/2），可获得高分辨率的双电磁诱导透明窗口。研究还发现，增强探测场可实现电磁诱导透明向电磁诱导吸收的转换，但强场引发的饱和与功率展宽效应会淹没双通道结构；通过增大耦合场失谐可有效抑制该效应，实现双通道电磁诱导吸收的高效、独立切换。本研究为在非均匀展宽介质中实现多通道量子光调控提供了理论依据，对多通道量子存储、光开关及频分复用光调制器等器件的设计具有指导意义。

Journal of Applied Optics•Jan 1, 2025•0 citations
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。
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。
集成光子芯片为压缩态光场的产生提供了一个可靠和易于扩展的平台。基于低损耗氮化硅微环谐振腔的四波混频过程是产生压缩态光场的重要途径。本文基于氮化硅材料平台，优化了高质量氮化硅薄膜的制备工艺和微环谐振腔的加工过程，制备出多种尺寸和结构的低损耗氮化硅微环谐振腔。通过搭建的测试系统，系统分析了这些微环谐振腔的透射率、耦合状态和品质因子。实验结果表明，所制备的微环谐振腔具有稳定的本征品质因子，其中横截面尺寸为2000 nm′290 nm微环谐振腔的本征品质因子可达1.5′106，对应的波导传输损耗约为0.23 dB/cm。理论计算表明，该结构最优能够产生片上约9 dB的压缩态光场，当考虑总检测效率为40%时，预估可以直接观察到2 dB的压缩态。该研究为片上产生高质量的连续变量压缩态提供了实验基础。
Cs蒸气置于十字交叉加热炉中,充入不同气压的H2,激光双光子激发Cs原子至6D3/2态,利用原子荧光光谱方法,研究了H2诱导6DJ→7PJ,的碰撞能量转移。测量不同氢气密度下直接6D3/2→6P3/2和敏化6D5/2→6P3/2,7P3/2→6S1/2和7P1/2→6S1/2的时间积分荧光强度,利用四粒子的速率方程分析,得到了6D3/2→7P3/2,6D3/2→7P1/2,6D5/2→7P3/2和6D5/2→7P1/2碰撞转移截面分别为（3.1±0.8）×10^-16,（1.7±0.4）×10^-16,（1.5±0.4）×10^-16,（1.3±0.3）×10^-16cm^2。7PJ′态的猝灭截面分别为（2.5±0.6）×10^-16cm^2（对7P3/2）和（4.0±1.0）×10^-16cm^2（对7P1/2）,它们主要是通过Cs（7PJ′）＋H2→CsH＋H反应产生的,而反应的相对活动性顺序为7P1/2〉7P3/2。
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Cs vapor was created in a resistively heated,cross-shaped stainless-steel heat-pipe oven with quartz windows.H2 gas filled in the cell for use both as a buffer gas and as a reaction partner.Cs atoms were excited to 6D3/2 state by two-photon absorption.The 7P1/2 and 7P3/2 were populated by the radiative and collisional 6DJ→7PJ′ transition.The cross sections for 6DJ7PJ′ transfer induced by collision with H2 molecules have been determined using methods of atomic fluorescence.The resulting fluorescence included a direct component emitted in the decay of the optically excited state and sensitive component arising from collisionally populated states.The time-integrated fluorescence intensities for atomic transitions 6D5/2→6P3/2,6D3/2→6P3/2,7P3/2→6S1/2 and 7P1/2→6S1/2 were measured at the defferent H2 densities.The relative time-integrated population densities were obtained as a function of H2 densities.By the set of the rate equations,the cross-sections have been determined to be σ6D3/27P3/2=(3.1±0.8)×10-16cm2,σ6D3/27P1/2=(1.7±0.4)×10-16cm2,σ6D5/27P3/2=(1.5±0.4)×10-16cm2 and σ6D5/27P1/2=(1.3±0.3)×10-16 cm2.The cross sections for quenching of 7PJ′ by H2 are(2.5±0.6)×10-16 cm2(for 7P3/2) and(4.0±1.0)×10-16 cm2(for 7P1/2).Evidence suggests that the substantial fraction of quenching cross section is reactive.The relative reactivity with H2 is an order 7P1/27P3/2.
提出了一种在室温多普勒展宽铷原子系统中实现双通道电磁诱导透明与电磁诱导吸收高效切换的方案。基于Y型四能级结构，采用缀饰微扰链方法，推导了探测场传输谱对波数失配、探测场强度及耦合场失谐的解析表达式。研究结果表明，通过将一子系统的探测场与耦合场波长设为相近（如780 nm与776 nm），可有效抑制多普勒展宽；另一子系统采用短波长耦合场（如480 nm）并匹配低衰减率激发态（如44D5/2），可获得高分辨率的双电磁诱导透明窗口。研究还发现，增强探测场可实现电磁诱导透明向电磁诱导吸收的转换，但强场引发的饱和与功率展宽效应会淹没双通道结构；通过增大耦合场失谐可有效抑制该效应，实现双通道电磁诱导吸收的高效、独立切换。本研究为在非均匀展宽介质中实现多通道量子光调控提供了理论依据，对多通道量子存储、光开关及频分复用光调制器等器件的设计具有指导意义。