[发明专利]一种非线性光与原子干涉仪及其干涉方法

说明书

技术领域

本发明涉及非线性光学、量子光学及精密测量领域，尤其涉及一种非线性光与原子干涉仪及其干涉方法。

背景技术

目前，干涉仪在非线性光学，量子光学及精密测量领域扮演着重要角色，在很多基础领域有广泛的应用，例如在引力波测量，重力测量、测距、测磁场等。线性干涉仪分为两大类，主要包括全光干涉仪(例如Mach-Zehnder干涉仪)和全原子的干涉仪(Ramsey干涉仪)。这些干涉仪都是利用无源分束器来实现分束，信号(光场或者原子束)被分束沿着不同的路径传输，经过一段传播距离被分束的信号(光场或者原子束)又在另一个分束器上进行合束发生干涉，分开路径传播的过程中会有个相位移动θ，可见干涉信号随着相位移动θ而变化。最近，非线性光干涉仪和非线性原子干涉仪在理论和实验都被实现了。线性干涉仪的相位灵敏度是(N是注入干涉仪的光场信号的光子数或者是注入干涉仪的原子数目)。相对于线性干涉仪，非线性干涉仪是利用有源分束器来实现信号的合束和分束。非线性干涉仪相对于线性干涉仪有很多优点，它的相位灵敏度是1/N，比线性干涉仪的灵敏度有很大的改进。但是目前所有的线性和非线性干涉仪都是全光干涉仪或者是全原子干涉仪。全光干涉仪只能用光场去感受相位改变，全原子干涉仪只能用原子去感受相位改变。所以亟需一种可以同时利用光场和原子来改变干涉信号的相位的非线性干涉仪实现高精度测量。

发明内容

本发明提出了一种非线性光与原子干涉仪，包括：第一光源、第二光源、第三光源、第一极化分束器、第二极化分束器、第三极化分束器、第四极化分束器、第五极化分束器、第一半波片、第二半波片、第三半波片、光电探测器、第一延时器、第二延时器和铷原子系综；

沿所述第一光源输出的入射拉曼光场方向依次设置有所述第二半波片、所述第一极化分束器和所述第一延时器；

沿所述第二光源输出的入射信号光方向依次设置有所述第五极化分束器、所述第三半波片、所述第二极化分束器、所述铷原子系综、第三极化分束器和所述第二延时器，所述第二延时器输出的信号光返回所述第三极化分束器；沿所述第五极化分束器的折射方向设置有所述光电探测器；所述第一极化分束器与所述第二极化分束器的折射方向重合；

所述第三光源输出的读光光场沿折射方向射入所述第四极化分束器内，所述第一延时器的输出沿入射方向射入所述第四极化分束器内，沿所述第四极化分束器的透射方向依次设置有所述第一半波片与所述第三极化分束器，所述第四极化分束器的透射方向与所述第三极化分束器的折射方向重合。

本发明提出的所述非线性光与原子干涉仪中，所述第二光源的入射信号光是由所述第一光源的入射拉曼光场经过移频器后产生的。

本发明提出的所述非线性光与原子干涉仪中，所述第一延时器与所述第二延时器包括单模光纤或电磁诱导设备。

本发明提出的所述非线性光与原子干涉仪中，所述第二延时器内进一步设置压电陶瓷。

本发明提出的所述非线性光与原子干涉仪中，所述铷原子系综的周围设置有赫姆霍兹线圈。

本发明还提出了一种非线性光与原子干涉仪的干涉方法，包括如下步骤：

步骤一：第一光源输出的入射拉曼光场经第二半波片改变偏振后射入第一极化分束器内发生分束，生成第一分束光与第二分束光，所述第一分束光射入第二极化分束器内，所述第二分束光射入第一延时器内；

步骤二：第二光源输出的入射信号光经第三半波片改变偏振后射入所述第二极化分束器内与所述第一分束光发生重合，所述第一分束光射入铷原子系综内产生入射拉曼散射光场，所述入射信号光经过所述入射拉曼散射光场中发生第一次拉曼散射，生成斯托克斯信号光场，并在所述铷原子系综的内部产生第一原子相干性；

步骤三：所述斯托克斯信号光场经过第三极化分束器后射入第二延时器，通过所述第二延时器后重新射入所述第三极化分束器内；所述第二分束光依次经过第四极化分束器、第一半波片后射入所述第三极化分束器内与所述斯托克斯信号光场发生重合；所述斯托克斯信号光场与所述第二分束光射入所述铷原子系综内，所述斯托克斯信号光场与所述第一原子相干性发生第二次拉曼散射，生成放大的斯托克斯信号光场以及所述铷原子系综内产生第二原子相干性，所述放大的斯托克斯信号光场通过所述第五极化分束器后射入所述光电探测器内实现检测所述第一原子相干性；