无磁光学非互易实验教学与设计

王志平,李 哲,马阳成,吕 亮,胡志家

(安徽大学 物理与光电工程学院,安徽 合肥 230601)

百年大计,教育为先。随着工程教育认证改革的深入,大学物理实验逐渐转变为评价体系中不可或缺的一个指标,高等院校对此愈发重视[1]。通过大学物理实验教授学生基本的实验技能,帮助他们直观地感受书本上枯燥的物理概念和定理,可以提升学生的学习兴趣和动手能力。国内顶尖高校的物理学“强基计划”致力于理工深度交叉融合,特别加强知识与技术的融合,培养复合型人才[2]。因此,物理实验的教学对于人才培养不再是可有可无的,而是实实在在的重要一环。

国家“十四五”规划大力支持电子信息产业的发展,作为一种重要的支撑技术,光电子技术在人类生活的方方面面都有广泛的应用[3],并且不断发挥越来越重要的作用。光电子器件是光电技术的关键和核心部件,主要包含光通信、光照明、光传感、光显示等器件。光隔离器是一种只允许激光正向通过而阻断反向通过的无源光器件,大多数具有实际应用价值的光隔离器是依据光学非互易性制造的。目前实现光学非互易性应用最为广泛的方法是借助法拉第磁光效应[4],但该类光隔离器在小型化集成时还存在着一些困难[5]。近些年来,人们对于无磁非互易方案产生了极大的兴趣,从有无外场的角度可分为有源非互易和无源非互易两类实现方案[6],其中无源非互易方案包括光学双稳态[7,8]、热原子饱和吸收[9]以及光学非线性效应[10-12]等。我们基于四波混频这一非线性光学效应,实现了在无磁场情况下的光学非互易现象[13]。

1 四波混频原理

考虑一个M型原子能级结构如图1所示。

图1 Rb85的M型原子能级图

基态|1〉和|2〉对应Rb85精细结构D1线中的|5S1/2,F=3〉和D2线中的|5S1/2,F=3〉,激发态|3〉和|4〉对应Rb85精细结构D1线中的|5P1/2,F=2〉和D2线中的|5P3/2,F=4〉。Rb85原子的精细能级结构如图2所示,通常将|5S1/2〉→|5P1/2〉和|5S1/2〉→|5P3/2〉两个跃迁过程分别称为D1线和D2线。两束强泵浦光1和2分别对应能级|1〉↔|3〉和|2〉↔|3〉之间的跃迁,信号光对应能级|2〉↔|4〉之间的能级跃迁。三束光与Rb85原子发生相互作用使其能级发生一系列跃迁后,最终由于|4〉↔|1〉跃迁过程产生一束新的光,这个光学非线性效应过程即四波混频(FWM)。

图2 Rb85的D1线和D2线

利用光学Bloch方程:

(1)

其中,Ω为光场的拉比频率,γ为原子自然跃迁导致的衰减,Δs为失谐量。

在慢包络近似下,缓变幅方程为

(2)

其中,ρ41和ρ42反映了|1〉↔|4〉和|2〉↔|4〉过程的原子相干性,α表示光学深度,L表示Rb85气体池的长度,Δk反映动量守恒情况。

四波混频的发生需要满足相位匹配条件,即能量守恒和动量守恒,M型原子能级系统中相位匹配示意图如图3所示,则频率和波矢满足:

(3)

图3 四波混频的相位匹配示意图

根据式(3)不难看出,两束泵浦光1和2的频率相等,所以产生的FWM光与信号光的频率也相等。由于Δk=0意味着满足动量守恒,Δk≠0说明动量不守恒,后续实验设计依据这一思路,令信号光正向传输满足相位匹配条件(Δk=0),反向传输不满足FWM产生条件。

结合上述条件,可得:

(4)

2 基于四波混频的光学非互易实验

基于四波混频过程的无磁光学非互易传输实验光路图如图4所示,其中涉及的光源均由德国Toptica公司DL100型可调谐半导体激光器提供,实验中采用一个长度为100 mm,直径为25 mm的含Rb85原子的气体池。

(a) 信号光正向传输

Signal(Forward):正向信号光,Signal(Backward):反向信号光,Pump 1:泵浦光1,Pump 2:泵浦光2,FWM:四波混频光,H:半波片,Q:四分之一波片,BS:分束器,PBS:偏振分束器,Filter:滤光片,PD:光电探测器,CCD:CCD式光强分析仪,Rb85atoms:Rb原子气体池。

实验中需要分别将两台激光器的频率调制在|5S1/2,F=3〉→|5P1/2,F=2〉和|5S1/2,F=3〉→|5P3/2,F=4〉能级跃迁上,先通过德国HighFinesse公司WS6型的波长计(绝对精度达到200 MHz)将信号光和泵浦光的波长锁定在Rb85原子D1和D2线上:794.979和780.241 nm。然后利用饱和吸收光谱(SAS)光路,将信号光和泵浦光的频率锁定在Rb85原子的超精细结构中对应的饱和吸收谱线凸起峰。

由于铷原子在20 ℃左右的常温条件下通常以固态形式附着于气体池内壁,不易于与光场发生相互作用,所以该实验需将Rb85气体池置于温控炉中加热实现。在加热过程中,在温度较低的地方铷原子会固化,镀在气体池两端窗口上,可以采用热吹风枪加热气体池的两端窗口,另一种方法是对玻璃气池收口的地方进行散热处理。泵浦光1和泵浦光2均为794.979 nm,可由同一台半导体激光器提供,利用半波片和偏振分束器的组合可分出两束光作为泵浦光。在795 nm半导体激光器后加一台半导体激光放大器提高输出光功率以满足实验需要,其注入种子光的光功率要求不低于25 mW,最大输出光功率可达200 mW。

接下来,根据光路图搭建实验装置,如图4(a)所示。将源自两台半导体激光器的相干空间光耦合进保偏光纤中,保偏光纤的另一端输出信号光和泵浦光。我们定义信号光和泵浦光1相向传输的方向作为信号光的传输正向,泵浦光1和泵浦光2同向传输,两者存在一个2°左右的微小夹角,加长泵浦光与气体池间的距离以分辨两束光。信号光经过1/4波片、1/2波片和偏振分束器,最终得到一束水平偏振的相干光。两束泵浦光经过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。我们在此基础上,利用1/2波片(H4)控制泵浦光1的偏振。信号光、泵浦光1和泵浦光2在热Rb85原子系综内与其相互作用产生四波混频过程,产生的FWM光通过分束器(BS2)与泵浦光2传输方向垂直入射进CCD式光束质量分析仪。透过气体池的信号光经过BS1后与泵浦光1传输方向垂直出射,可利用光电探测器(PD)记录信号光的透过率(透射信号光与入射信号光的比值)。图4(b)中将信号光和泵浦光1同向传输作为信号光的背向传输过程,相当于改变图4(a)中信号光的传输方向,因此相位匹配条件中动量守恒不再满足,四波混频过程不再发生,信号光被Rb85原子吸收,从而实现了背向隔离。我们利用BS1将背向信号光和泵浦光1进行合束。由于背向信号光和泵浦光1完全同向共线,可在滤光片过滤掉泵浦光1后利用光电探测器记录信号光的透过率。

3 实验结果分析

首先,我们分析信号光的失谐量对信号光的正向和反向透过率的影响,实验测量结果如图5所示。其中,红色的曲线表示信号光正向传输的透过率,黑色表示信号光反向传输的透过率。当信号光失谐量为300 MHz时,信号光的正向透过率最高达到了85%。由于该四波混频(FWM)过程可以通过改变信号光的失谐量达到最佳的相位匹配条件,从而实现信号光正向传输达到最高透过率。同时,可以看出信号光的失谐量对于反向透过率几乎没有影响,反向隔离度基本上维持在25dB。由于该情况下失谐量较小,还处在Rb85原子蒸汽吸收区间内,所以信号光失谐量的变化对于反向隔离度影响微乎其微。

Δs/2π/MHz信号光、泵浦光1和泵浦光2的功率分别为1 mW、20 mW和20 mW

其次,我们分析四波混频(FWM)实验中泵浦光1和泵浦光2的光功率变化对信号光透过率的影响,如图6所示。黑色圆点表示信号光正向传输的实验测量结果,红色曲线表示对正向传输数据的拟合曲线;黑色方块表示反向传输的测量结果,蓝色曲线即反向传输数据的拟合曲线。从图6(a)和(b)中不难看出:当光功率在0～15 mW范围内,随着泵浦光1和泵浦光2的光功率升高,正向传输的信号光透过率一直增加;随后再升高泵浦光1和泵浦光2的光功率(光功率在15～35 mW范围内),信号光透过率没有明显变化,逐渐趋于饱和。由于泵浦光的光功率会影响四波混频(FWM)效应,通过调控合适的泵浦光光功率,可满足完美的相位匹配条件,再升高其光功率而不会再增强四波混频(FWM)效应。对于反向传输的情况,分析实验数据发现与信号光失谐量对其透过率的影响相似,泵浦光1和泵浦光2的光功率对反向隔离度几乎没有影响,因为反向情况没有导致四波混频效应(FWM)发生。

(a)泵浦光2的光功率固定为20 mW时,信号光透过率随泵浦光1的光功率变化曲线

分析以上结果发现泵浦光1和泵浦光2的光功率对信号光透过率的影响与信号光失谐量的作用相似,泵浦光1和泵浦光2的光功率会影响四波混频(FWM)过程的反应强度,从而导致信号光正向传输发生变化,而反向传输几乎没有变化。当两束泵浦光的光功率增加到一定强度(本实验测得在20 mW左右)时,四波混频达到最佳反应作用,信号光的正向透过率达到饱和状态。

最后,分析Rb85原子蒸汽气池的温度对信号光透过率的影响,如图7所示。黑色圆点表示正向传输的实验结果,红色曲线表示拟合的正向传输情况;黑色方块表示背向传输的实验结果,蓝色曲线表示拟合的背向传输情况。当Rb85原子气体池的温度从70 ℃升高至105 ℃时,信号光正向传输时的透过率从80%下降至20%;而反向传输时信号光的透过率几乎保持不变。由于气池温度升高导致气体池内原子数密度增加,原子之间的碰撞以及原子和气池内壁的碰撞增加,导致退相干加剧,损耗增加,从而正向传输信号光的透过率降低;而反向情况下本身透过率就很低,几乎不受影响。

信号光、泵浦光1和泵浦光2的光功率分别为1 mW、20 mW和20 mW

综上所述,我们分析了信号光的失谐量、泵浦光1和泵浦光2的光功率以及Rb85原子气体池的温度变化对无磁光学非互易传输特性的影响。我们的方案可以实现反向的隔离度超过20dB,正向的插入损耗小于1dB,有助于隔离器向集成化和小型化发展。

4 结 论

随着光电行业的发展,国家对高等教育毕业生的综合素质要求越来越来高,在此背景下,提高在校本科生和研究生的实验技能显得尤为重要。提高本科生的实验能力需要重视和加强实验课程的建设,安徽大学物理与光电工程学院为同学们提供了良好的实验平台,帮助同学们在汲取知识的道路上走得更远。