一种测量原子激发态共振频率的系统和方法

技术领域

本发明属于量子力学研究技术领域，特别涉及一种测量原子激发态共振频率的系统和方法。

背景技术

自里德堡原子被发现，由于其寿命长、电偶极矩大、极化率高等特点，近年来，在量子计算、量子模拟及量子精密测量等方面广泛应用。随着里德堡原子研究的深入，为了激发更多的里德堡原子，需要对共振频率的精确度要求也越来越高。所以寻找正确的共振频率用于激发更多里德堡原子以及获得更小的噪声这对目前量子方面的研究至关重要。

目前对激光频率的确定主要是通过饱和吸收谱锁频和超稳腔稳频。文献“饱分子饱和吸收谱的半导体激光器稳频”提出的饱和吸收谱稳频的方法(第37卷第5期/2010年5月/中国激光)，将一束带频率调制的激光经过半波片和偏振分束镜，分成一强一弱两束光，探测光为透射的弱光，泵浦光为反射的强光，探测光和泵浦光在铯泡中作用后，用探测器接收探测光，通过扫描激光器的频率就可以得到饱和吸收谱的吸收峰，由这些吸收峰即可得到原子的基态到激发态的跃迁频率；然而这种方法得到的跃迁频率并不准确，因为饱和吸收谱需要这两束激光用于激发原子，但激光功率会导致得到的饱和吸收峰展宽，而且饱和吸收谱自身也存在宽度，所以通过饱和吸收谱得到的共振频率有较大偏差。

文献“基于超稳腔PDH稳频的280mHz线宽DBR光纤激光器”提到的超稳腔稳频法(第48卷第5期/2021年3月/中国激光)，虽然通过高精细度的腔来使得激光线宽大大压窄，但其锁定频率只能通过理论计算或者参考饱和吸收谱的吸收峰来确定共振频率，因此得到的共振频率会有偏差。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出了一种测量原子激发态共振频率的系统和方法，利用原子蒸气池外壁玻璃结构的反射和折射现象，不需要再单独加一束激光，结构简单，可以直接作用于实验上，避免由于相互作用势能导致移频的误差。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种测量原子激发态共振频率的系统，包括：

分束镜，用于将第一激光器的出射激光分成两束，一束用于锁频，另一束作为原子的探测光；

超稳腔，用于接收分束镜输出的其中一束光并将频率锁定；

电光调制器，使锁定的频率发生失谐，得到共振频率；

原子蒸气池，用于通过第一半透半反镜接收分束镜输出的另一束光，将该光作为原子从基态激发到第一激发态的探测光；再通过第二半透半反镜接收第二激光器的出射激光，并将该激光作为原子从第一激发态激发至里德堡态的耦合光；

光电探测器，用于通过第二半透半反镜接收原子蒸气池输出的探测光；

示波器，用于接收光电探测器的输出信号，并显示EIT光谱峰。

所述第一半透半反镜为长波透射，短波反射。

所述第二半透半反镜为短波透射，长波反射。

所述原子蒸气池为玻璃制品。

一种测量原子激发态共振频率的方法，包括：

步骤1：通过分束镜将第一激光器的出射激光分成两束，一束通过超稳腔用于激光稳频，让激光频率稳定在共振频率上；另一束通过第一半透半反镜进入原子蒸气池，作为探测光将原子从基态激发到第一激发态；

步骤2：原子蒸气池通过第二半透半反镜接收第二激光器的出射激光，作为耦合光将原子从第一激发态激发至里德堡态；

步骤3：根据激光的折射和反射，得到第一激光器的出射激光和第二激光器的出射激光对向传输跃迁频率的失谐量、同向传输跃迁频率的失谐量，得到精确的共振频率。

所述步骤3的具体过程为：

步骤3.1：当第一激光器的出射激光和第二激光器的出射激光对向传输时，激光频率可以写成：

ω′

ω′

其中，ω

将原子从基态激发到第一激发态，跃迁频率的失谐为Δ

Δ

将原子从第一激发态激发至里德堡态，跃迁频率的失谐为Δ

Δ

当第一激光器的出射激光和第二激光器的出射激光对向传输，同时作用于原子蒸气池，则可得到：

Δ

Δ

由上式可知：Δ

步骤3.2：当第一激光器的出射激光和第二激光器的出射激光同向传输时，激光频率可以写成：

ω′

ω′

将原子从基态激发到第一激发态，跃迁频率的失谐为Δ

Δ

将原子从第一激发态激发至里德堡态，跃迁频率的失谐为Δ

Δ

当第一激光器的出射激光和第二激光器的出射激光同向传输，同时作用于原子蒸气池，则可得到：

Δ

Δ

由上式可知：Δ

步骤3.3：第一激光器频率为ω

Δ＝1.67Δ

对第二激光器进行扫频，即可得到两个峰，通过两峰间距即可得到Δ

相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

1.本发明使用超稳腔稳频，相对于饱和吸收谱稳频，可以得到更窄的激光线宽。

2.本发明的失谐量是根据实验系统得到的，通过两峰间距的测量并换算成失谐量，可以根据不同相互作用势能而产生的移频来修正共振频率，得到精准的共振频率。

3.本发明中的激光打上原子蒸气池会发生反射和折射现象，出射激光对向传输和同向传输，不需要再单独加一束激光，结构简单，可以直接作用于实验上，避免由于相互作用势能导致移频的误差。

综上，本发明超稳腔先将频率锁定，之后再使用电光调制器使频率发生失谐，这个失谐量会使得电磁诱导透明产生两个尖峰，通过这两个尖峰求出共振频率，可以根据不同探测光和耦合光进行修正共振频率，避免由于相互作用势导致移频的误差。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图。

图2为本发明实施例的系统结构示意图。

图3是铯原子蒸气池玻璃的折射和反射现象，其中，图3(a)为探测光和耦合光对向传输示意图，图3(b)为探测光和耦合光同向传输示意图。

图4为给探测光一个失谐，由于同相传输和反向传输导致两个不同的电磁诱导透明峰。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

如图1所示，一种测量原子激发态共振频率的系统，包括：

分束镜，用于将第一激光器的出射激光分成两束，一束用于锁频，另一束作为原子的探测光；

超稳腔，用于接收分束镜输出的其中一束光并将频率锁定；

电光调制器，使锁定的频率发生失谐，得到共振频率；

原子蒸气池，用于通过第一半透半反镜接收分束镜输出的另一束光，将该光作为原子从基态激发到第一激发态的探测光；再通过第二半透半反镜接收第二激光器的出射激光，并将该激光作为原子从第一激发态激发至里德堡态的耦合光；

光电探测器，用于通过第二半透半反镜接收原子蒸气池输出的探测光；

示波器，用于接收光电探测器的输出信号，并显示EIT光谱峰。

所述第一半透半反镜为长波透射，短波反射。

所述第二半透半反镜为短波透射，长波反射。

所述原子蒸气池为玻璃制品。

一种测量原子激发态共振频率的方法，包括：

步骤1：通过分束镜将第一激光器的出射激光分成两束，一束通过超稳腔用于激光稳频，让激光频率稳定在共振频率上；另一束通过第一半透半反镜进入原子蒸气池，作为探测光将原子从基态激发到第一激发态；

步骤2：原子蒸气池通过第二半透半反镜接收第二激光器的出射激光，作为耦合光将原子从第一激发态激发至里德堡态；

步骤3：根据激光的折射和反射，得到第一激光器的出射激光和第二激光器的出射激光对向传输跃迁频率的失谐量、同向传输跃迁频率的失谐量，得到精确的共振频率。

所述步骤3的具体过程为：

由于分子热运动，静止坐标系中的激光频率ω在运动分子的坐标系中表现为(当k·v＞0时，即分子运动的方向平行于光传播方向；当k·v＜0时，即分子运动的方向与光传播方向相反。)：

其中，k表示激光波数；

只有当ω′与分子的本征频率ω

ω′＝ω+k·v

原子蒸气池是玻璃制品，激光打上去会发生反射和折射现象；

步骤3.1：当第一激光器的出射激光和第二激光器的出射激光对向传输时，激光频率可以写成：

ω′

ω′

其中，ω

将原子从基态激发到第一激发态，跃迁频率的失谐为Δ

Δ

将原子从第一激发态激发至里德堡态，跃迁频率的失谐为Δ

Δ

当第一激光器的出射激光和第二激光器的出射激光对向传输，同时作用于原子蒸气池，则可得到：

Δ

Δ

由上式可知：Δ

步骤3.2：当第一激光器的出射激光和第二激光器的出射激光同向传输时，激光频率可以写成：

ω′

ω′

将原子从基态激发到第一激发态，跃迁频率的失谐为Δ

Δ

将原子从第一激发态激发至里德堡态，跃迁频率的失谐为Δ

Δ

当第一激光器的出射激光和第二激光器的出射激光同向传输，同时作用于原子蒸气池，则可得到：

Δ

Δ

由上式可知：Δ

步骤3.3：第一激光器频率为ω

Δ＝1.67Δ

对第二激光器进行扫频，即可得到两个峰，通过两峰间距即可得到Δ

如图2所示，以铯原子为例，一种测量原子激发态共振频率的系统，包括：

分束镜，用于将852nm激光器的出射激光分成两束，一束用于锁频，另一束作为铯原子的探测光；

超稳腔，用于接收分束镜输出的其中一束光并将频率锁定；

电光调制器，使锁定的频率发生失谐，求出共振频率；

铯原子蒸气池，用于通过第一半透半反镜接收分束镜输出的另一束光，第一半透半反镜长波透射，短波反射，将该光作为铯原子基态6S

光电探测器，用于通过第二半透半反镜接收铯原子蒸气池输出的探测光；

示波器，用于接收光电探测器的输出信号，并显示EIT光谱峰。

一种测量原子激发态共振频率的方法，包括：

步骤1：通过分束镜将852nm激光器的出射激光分成两束，一束通过超稳腔用于激光稳频，让激光频率稳定在共振频率上；另一束通过第一半透半反镜进入铯原子蒸气池，作为探测光将铯原子基态6S

步骤2：铯原子蒸气池通过第二半透半反镜接收510nm激光器的出射激光，作为耦合光将铯原子从第一激发态6P

步骤3：根据激光的折射和反射，得到852nm激光器的出射激光和510nm激光器的出射激光对向传输跃迁频率的失谐量、同向传输跃迁频率的失谐量，得到精确的共振频率。

所述步骤3的具体过程为：

由于分子热运动，静止坐标系中的激光频率ω在运动分子的坐标系中表现为(当k·v＞0时，即分子运动的方向平行于光传播方向；当k·v＜0时，即分子运动的方向与光传播方向相反。)：

其中，k表示激光波数；

只有当ω′与分子的本征频率ω

ω′＝ω+k·v

如图3所示，铯原子蒸气池是玻璃制品，激光打上去会发生反射和折射现象：

步骤3.1：如图3(a)所示，当852nm激光器的出射激光和510nm激光器的出射激光对向传输时，激光频率可以写成：

ω′

ω′

其中，ω

将铯原子从基态6S

Δ

将铯原子从第一激发态6P

Δ

当852nm激光器的出射激光和510nm激光器的出射激光对向传输，同时作用于原子蒸气池，则可得到：

Δ

Δ

由上式可知：Δ

步骤3.2：如图3(b)所示，当852nm激光器的出射激光和510nm激光器的出射激光同向传输时，激光频率可以写成：

ω′

ω′

将铯原子从基态6S

Δ

将铯原子从激发态6P

Δ

当852nm激光器的出射激光和510nm激光器的出射激光同向传输，同时作用于原子蒸气池，则可得到：

Δ

Δ

由上式可知：Δ

步骤3.3：852nm激光器频率为ω

Δ＝1.67Δ

对510nm激光器进行扫频，即可得到两个峰，通过两峰间距即可得到Δ

这里假设探测光的失谐为Δ

由于探测光发生失谐，其失谐量为Δ