無磁光學(xué)非互易實(shí)驗(yàn)教學(xué)與設(shè)計(jì)

王志平,李 哲,馬陽(yáng)成,呂 亮,胡志家

(安徽大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

百年大計(jì),教育為先。隨著工程教育認(rèn)證改革的深入,大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樵u(píng)價(jià)體系中不可或缺的一個(gè)指標(biāo),高等院校對(duì)此愈發(fā)重視[1]。通過大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教授學(xué)生基本的實(shí)驗(yàn)技能,幫助他們直觀地感受書本上枯燥的物理概念和定理,可以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手能力。國(guó)內(nèi)頂尖高校的物理學(xué)“強(qiáng)基計(jì)劃”致力于理工深度交叉融合,特別加強(qiáng)知識(shí)與技術(shù)的融合,培養(yǎng)復(fù)合型人才[2]。因此,物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)對(duì)于人才培養(yǎng)不再是可有可無的,而是實(shí)實(shí)在在的重要一環(huán)。

國(guó)家“十四五”規(guī)劃大力支持電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,作為一種重要的支撐技術(shù),光電子技術(shù)在人類生活的方方面面都有廣泛的應(yīng)用[3],并且不斷發(fā)揮越來越重要的作用。光電子器件是光電技術(shù)的關(guān)鍵和核心部件,主要包含光通信、光照明、光傳感、光顯示等器件。光隔離器是一種只允許激光正向通過而阻斷反向通過的無源光器件,大多數(shù)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的光隔離器是依據(jù)光學(xué)非互易性制造的。目前實(shí)現(xiàn)光學(xué)非互易性應(yīng)用最為廣泛的方法是借助法拉第磁光效應(yīng)[4],但該類光隔離器在小型化集成時(shí)還存在著一些困難[5]。近些年來,人們對(duì)于無磁非互易方案產(chǎn)生了極大的興趣,從有無外場(chǎng)的角度可分為有源非互易和無源非互易兩類實(shí)現(xiàn)方案[6],其中無源非互易方案包括光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)[7,8]、熱原子飽和吸收[9]以及光學(xué)非線性效應(yīng)[10-12]等。我們基于四波混頻這一非線性光學(xué)效應(yīng),實(shí)現(xiàn)了在無磁場(chǎng)情況下的光學(xué)非互易現(xiàn)象[13]。

1 四波混頻原理

考慮一個(gè)M型原子能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Rb85的M型原子能級(jí)圖

基態(tài)|1〉和|2〉對(duì)應(yīng)Rb85精細(xì)結(jié)構(gòu)D1線中的|5S1/2,F=3〉和D2線中的|5S1/2,F=3〉,激發(fā)態(tài)|3〉和|4〉對(duì)應(yīng)Rb85精細(xì)結(jié)構(gòu)D1線中的|5P1/2,F=2〉和D2線中的|5P3/2,F=4〉。Rb85原子的精細(xì)能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖2所示,通常將|5S1/2〉→|5P1/2〉和|5S1/2〉→|5P3/2〉兩個(gè)躍遷過程分別稱為D1線和D2線。兩束強(qiáng)泵浦光1和2分別對(duì)應(yīng)能級(jí)|1〉?|3〉和|2〉?|3〉之間的躍遷,信號(hào)光對(duì)應(yīng)能級(jí)|2〉?|4〉之間的能級(jí)躍遷。三束光與Rb85原子發(fā)生相互作用使其能級(jí)發(fā)生一系列躍遷后,最終由于|4〉?|1〉躍遷過程產(chǎn)生一束新的光,這個(gè)光學(xué)非線性效應(yīng)過程即四波混頻(FWM)。

圖2 Rb85的D1線和D2線

利用光學(xué)Bloch方程:

(1)

其中,Ω為光場(chǎng)的拉比頻率,γ為原子自然躍遷導(dǎo)致的衰減,Δs為失諧量。

在慢包絡(luò)近似下,緩變幅方程為

(2)

其中,ρ41和ρ42反映了|1〉?|4〉和|2〉?|4〉過程的原子相干性,α表示光學(xué)深度,L表示Rb85氣體池的長(zhǎng)度,Δk反映動(dòng)量守恒情況。

四波混頻的發(fā)生需要滿足相位匹配條件,即能量守恒和動(dòng)量守恒,M型原子能級(jí)系統(tǒng)中相位匹配示意圖如圖3所示,則頻率和波矢滿足:

(3)

圖3 四波混頻的相位匹配示意圖

根據(jù)式(3)不難看出,兩束泵浦光1和2的頻率相等,所以產(chǎn)生的FWM光與信號(hào)光的頻率也相等。由于Δk=0意味著滿足動(dòng)量守恒,Δk≠0說明動(dòng)量不守恒,后續(xù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)依據(jù)這一思路,令信號(hào)光正向傳輸滿足相位匹配條件(Δk=0),反向傳輸不滿足FWM產(chǎn)生條件。

結(jié)合上述條件,可得:

(4)

2 基于四波混頻的光學(xué)非互易實(shí)驗(yàn)

基于四波混頻過程的無磁光學(xué)非互易傳輸實(shí)驗(yàn)光路圖如圖4所示,其中涉及的光源均由德國(guó)Toptica公司DL100型可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器提供,實(shí)驗(yàn)中采用一個(gè)長(zhǎng)度為100 mm,直徑為25 mm的含Rb85原子的氣體池。

(a) 信號(hào)光正向傳輸

Signal(Forward):正向信號(hào)光,Signal(Backward):反向信號(hào)光,Pump 1:泵浦光1,Pump 2:泵浦光2,FWM:四波混頻光,H:半波片,Q:四分之一波片,BS:分束器,PBS:偏振分束器,Filter:濾光片,PD:光電探測(cè)器,CCD:CCD式光強(qiáng)分析儀,Rb85atoms:Rb原子氣體池。

實(shí)驗(yàn)中需要分別將兩臺(tái)激光器的頻率調(diào)制在|5S1/2,F=3〉→|5P1/2,F=2〉和|5S1/2,F=3〉→|5P3/2,F=4〉能級(jí)躍遷上,先通過德國(guó)HighFinesse公司W(wǎng)S6型的波長(zhǎng)計(jì)(絕對(duì)精度達(dá)到200 MHz)將信號(hào)光和泵浦光的波長(zhǎng)鎖定在Rb85原子D1和D2線上:794.979和780.241 nm。然后利用飽和吸收光譜(SAS)光路,將信號(hào)光和泵浦光的頻率鎖定在Rb85原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)中對(duì)應(yīng)的飽和吸收譜線凸起峰。

由于銣原子在20 ℃左右的常溫條件下通常以固態(tài)形式附著于氣體池內(nèi)壁,不易于與光場(chǎng)發(fā)生相互作用,所以該實(shí)驗(yàn)需將Rb85氣體池置于溫控爐中加熱實(shí)現(xiàn)。在加熱過程中,在溫度較低的地方銣原子會(huì)固化,鍍?cè)跉怏w池兩端窗口上,可以采用熱吹風(fēng)槍加熱氣體池的兩端窗口,另一種方法是對(duì)玻璃氣池收口的地方進(jìn)行散熱處理。泵浦光1和泵浦光2均為794.979 nm,可由同一臺(tái)半導(dǎo)體激光器提供,利用半波片和偏振分束器的組合可分出兩束光作為泵浦光。在795 nm半導(dǎo)體激光器后加一臺(tái)半導(dǎo)體激光放大器提高輸出光功率以滿足實(shí)驗(yàn)需要,其注入種子光的光功率要求不低于25 mW,最大輸出光功率可達(dá)200 mW。

接下來,根據(jù)光路圖搭建實(shí)驗(yàn)裝置,如圖4(a)所示。將源自兩臺(tái)半導(dǎo)體激光器的相干空間光耦合進(jìn)保偏光纖中,保偏光纖的另一端輸出信號(hào)光和泵浦光。我們定義信號(hào)光和泵浦光1相向傳輸?shù)姆较蜃鳛樾盘?hào)光的傳輸正向,泵浦光1和泵浦光2同向傳輸,兩者存在一個(gè)2°左右的微小夾角,加長(zhǎng)泵浦光與氣體池間的距離以分辨兩束光。信號(hào)光經(jīng)過1/4波片、1/2波片和偏振分束器,最終得到一束水平偏振的相干光。兩束泵浦光經(jīng)過1/4波片、1/2波片和偏振分束器也可以得到水平偏振的泵浦光。我們?cè)诖嘶A(chǔ)上,利用1/2波片(H4)控制泵浦光1的偏振。信號(hào)光、泵浦光1和泵浦光2在熱Rb85原子系綜內(nèi)與其相互作用產(chǎn)生四波混頻過程,產(chǎn)生的FWM光通過分束器(BS2)與泵浦光2傳輸方向垂直入射進(jìn)CCD式光束質(zhì)量分析儀。透過氣體池的信號(hào)光經(jīng)過BS1后與泵浦光1傳輸方向垂直出射,可利用光電探測(cè)器(PD)記錄信號(hào)光的透過率(透射信號(hào)光與入射信號(hào)光的比值)。圖4(b)中將信號(hào)光和泵浦光1同向傳輸作為信號(hào)光的背向傳輸過程,相當(dāng)于改變圖4(a)中信號(hào)光的傳輸方向,因此相位匹配條件中動(dòng)量守恒不再滿足,四波混頻過程不再發(fā)生,信號(hào)光被Rb85原子吸收,從而實(shí)現(xiàn)了背向隔離。我們利用BS1將背向信號(hào)光和泵浦光1進(jìn)行合束。由于背向信號(hào)光和泵浦光1完全同向共線,可在濾光片過濾掉泵浦光1后利用光電探測(cè)器記錄信號(hào)光的透過率。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

首先,我們分析信號(hào)光的失諧量對(duì)信號(hào)光的正向和反向透過率的影響,實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如圖5所示。其中,紅色的曲線表示信號(hào)光正向傳輸?shù)耐高^率,黑色表示信號(hào)光反向傳輸?shù)耐高^率。當(dāng)信號(hào)光失諧量為300 MHz時(shí),信號(hào)光的正向透過率最高達(dá)到了85%。由于該四波混頻(FWM)過程可以通過改變信號(hào)光的失諧量達(dá)到最佳的相位匹配條件,從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)光正向傳輸達(dá)到最高透過率。同時(shí),可以看出信號(hào)光的失諧量對(duì)于反向透過率幾乎沒有影響,反向隔離度基本上維持在25dB。由于該情況下失諧量較小,還處在Rb85原子蒸汽吸收區(qū)間內(nèi),所以信號(hào)光失諧量的變化對(duì)于反向隔離度影響微乎其微。

Δs/2π/MHz信號(hào)光、泵浦光1和泵浦光2的功率分別為1 mW、20 mW和20 mW

其次,我們分析四波混頻(FWM)實(shí)驗(yàn)中泵浦光1和泵浦光2的光功率變化對(duì)信號(hào)光透過率的影響,如圖6所示。黑色圓點(diǎn)表示信號(hào)光正向傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果,紅色曲線表示對(duì)正向傳輸數(shù)據(jù)的擬合曲線;黑色方塊表示反向傳輸?shù)臏y(cè)量結(jié)果,藍(lán)色曲線即反向傳輸數(shù)據(jù)的擬合曲線。從圖6(a)和(b)中不難看出:當(dāng)光功率在0～15 mW范圍內(nèi),隨著泵浦光1和泵浦光2的光功率升高,正向傳輸?shù)男盘?hào)光透過率一直增加;隨后再升高泵浦光1和泵浦光2的光功率(光功率在15～35 mW范圍內(nèi)),信號(hào)光透過率沒有明顯變化,逐漸趨于飽和。由于泵浦光的光功率會(huì)影響四波混頻(FWM)效應(yīng),通過調(diào)控合適的泵浦光光功率,可滿足完美的相位匹配條件,再升高其光功率而不會(huì)再增強(qiáng)四波混頻(FWM)效應(yīng)。對(duì)于反向傳輸?shù)那闆r,分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)與信號(hào)光失諧量對(duì)其透過率的影響相似,泵浦光1和泵浦光2的光功率對(duì)反向隔離度幾乎沒有影響,因?yàn)榉聪蚯闆r沒有導(dǎo)致四波混頻效應(yīng)(FWM)發(fā)生。

(a)泵浦光2的光功率固定為20 mW時(shí),信號(hào)光透過率隨泵浦光1的光功率變化曲線

分析以上結(jié)果發(fā)現(xiàn)泵浦光1和泵浦光2的光功率對(duì)信號(hào)光透過率的影響與信號(hào)光失諧量的作用相似,泵浦光1和泵浦光2的光功率會(huì)影響四波混頻(FWM)過程的反應(yīng)強(qiáng)度,從而導(dǎo)致信號(hào)光正向傳輸發(fā)生變化,而反向傳輸幾乎沒有變化。當(dāng)兩束泵浦光的光功率增加到一定強(qiáng)度(本實(shí)驗(yàn)測(cè)得在20 mW左右)時(shí),四波混頻達(dá)到最佳反應(yīng)作用,信號(hào)光的正向透過率達(dá)到飽和狀態(tài)。

最后,分析Rb85原子蒸汽氣池的溫度對(duì)信號(hào)光透過率的影響,如圖7所示。黑色圓點(diǎn)表示正向傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)結(jié)果,紅色曲線表示擬合的正向傳輸情況;黑色方塊表示背向傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)結(jié)果,藍(lán)色曲線表示擬合的背向傳輸情況。當(dāng)Rb85原子氣體池的溫度從70 ℃升高至105 ℃時(shí),信號(hào)光正向傳輸時(shí)的透過率從80%下降至20%;而反向傳輸時(shí)信號(hào)光的透過率幾乎保持不變。由于氣池溫度升高導(dǎo)致氣體池內(nèi)原子數(shù)密度增加,原子之間的碰撞以及原子和氣池內(nèi)壁的碰撞增加,導(dǎo)致退相干加劇,損耗增加,從而正向傳輸信號(hào)光的透過率降低;而反向情況下本身透過率就很低,幾乎不受影響。

信號(hào)光、泵浦光1和泵浦光2的光功率分別為1 mW、20 mW和20 mW

綜上所述,我們分析了信號(hào)光的失諧量、泵浦光1和泵浦光2的光功率以及Rb85原子氣體池的溫度變化對(duì)無磁光學(xué)非互易傳輸特性的影響。我們的方案可以實(shí)現(xiàn)反向的隔離度超過20dB,正向的插入損耗小于1dB,有助于隔離器向集成化和小型化發(fā)展。

4 結(jié) 論

隨著光電行業(yè)的發(fā)展,國(guó)家對(duì)高等教育畢業(yè)生的綜合素質(zhì)要求越來越來高,在此背景下,提高在校本科生和研究生的實(shí)驗(yàn)技能顯得尤為重要。提高本科生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰π枰匾暫图訌?qiáng)實(shí)驗(yàn)課程的建設(shè),安徽大學(xué)物理與光電工程學(xué)院為同學(xué)們提供了良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),幫助同學(xué)們?cè)诩橙≈R(shí)的道路上走得更遠(yuǎn)。