專利名稱：相位共軛阿秒和頻極化拍的測量方法
技術領域：
本發明涉及一種光學測量方法，具體是一種相位共軛阿秒和頻極化拍的測量方法。
背景技術：
通常利用飛秒脈沖激光可研究物質的超塊過程，時間分辨率取決于激光脈寬。目前還沒有利用納秒脈沖激光測量阿秒時間量級的物質的超塊過程的先例。經過申請人檢索，沒有發現與本申請相關的文獻，為了理解本發明，申請人給出以下相關參考文獻M.Drescher，M.Hentschel，R.Kienberger，M.Uiberacker，V.Yakovlev，A.Scrinzi，Th.Westerwalbesloh，U.Kleineberg，U.Heinzmann，and F.Krausz，Nature sLondond 419，803(2002)。
發明內容
本發明的目的在于，提出一種相位共軛阿秒和頻極化拍的測量方法，該方法能夠制備阿秒延時裝置。利用納秒脈沖激光的相位共軛極化拍方法研究物質超快調制過程，其時間分辨率取決于激光相干時間，而與激光脈寬無關。
為了實現上述目的，本發明采取如下的技術解決方案一種相位共軛阿秒和頻極化拍的測量方法，其特征在于，包括下列步驟1)首先設置入射頻率為ω1和ω2的兩束平行獨立的相干光或孿生色鎖噪聲光；并在光路上設置分束片和棱鏡及可移動的全反鏡；2)入射頻率為ω1的光束由一個半透半反的分束片分為兩束光，其中分出的一束光由分束片反射至一棱鏡，然后由棱鏡折回并穿過分束片，得到頻率為ω1的第一光束；分束片分出的另一束光則穿過分束片至可移動的全反鏡，由該可移動的全反鏡將該光束反射回分束片，經分束片反射得到另一頻率也為ω1的第二光束；3)入射頻率為ω2的光束由一個半透半反的分束片分為兩束光，其中分出的一束光經分束片后至可移動的全反鏡，然后由全反鏡反射回分束片，由分束片反射后與頻率為ω1的第一光束重合，得到雙頻光束1；分束片分出的另一束光則由分束片反射至棱鏡，由棱鏡將該光束反射折回分束片，與頻率為ω1的第二光束重合，得到雙頻光束2；4)雙頻光束1和雙頻光束2都包含兩個頻率ω1和ω2，其中雙頻光束2中頻率為ω1的光比雙頻光束1中同頻率ω1的光相對延時τ，雙頻光束1中頻率為ω2的光的比雙頻光束2中同頻率ω2的光相對延時τ；移動全反鏡即可改變雙頻光束1、2各頻率光的相對延時，從而改變相位差；5)雙頻光束1和雙頻光束2以及與雙頻光束1反向傳播的僅含有ω3的第三束光匯聚于樣品上，產生的相位共軛阿秒和頻極化拍信號沿雙頻光束2的反向出射，即可進行相位共軛阿秒和頻極化拍的測量。
采用上述方法可以制備用于原子系統中相位共軛阿秒和頻極化拍測量的阿秒延時裝置，對原子系統中級聯三能級，Y型四能級、V型三能級等其它類型的能級系統的四波混頻及六波混頻信號測量均適用。利用本裝置，可得到以下的結果雙頻光束2中頻率為ω1的光的相位比雙頻光束1中同頻率的光相對延時τ，而雙頻光束1中頻率為ω2的光的相位比雙頻光束2中同頻率的光相對延時τ。
圖1是本發明方法的測量原理圖。
圖2是級聯三能級位形圖；圖3是幾何配制圖。
下面結合附圖和本發明的實驗方案對本發明作進一步詳細說明。
具體實施例方式
參見圖1，圖1是本發明的測量方法原理圖。首先設置入射頻率為ω1和ω2兩束平行獨立的相干光或孿生色鎖噪聲光的光源，在該光源射出的光路上，設有一半透半反的分束片BSO，將光源分為兩路；其中的一路經過與半透半反的分束片BSO反射，在該反射的光路上設有第一補償片DCF1，并在第一補償片DCF1的光路上設置有棱鏡P；另一路穿過半透半反的分束片BSO透射，在該透射的光路上還設置有第二補償片DCF2，并在第二補償片DCF2的光路上設置有可移動的全反鏡R。
在圖1中，將兩束獨立的相干光或孿生色鎖噪聲光(頻率為ω1和ω2)由50％的分束片BSO分別分為兩束光，再利用棱鏡P和可移動的全反鏡R將光束反射回分束片BSO，從而得到新的兩束光(圖中雙頻光束1和雙頻光束2)，每束光中都包含兩個頻率ω1和ω2。移動全反鏡R可改變光束的相對延時τ，從而改變相位差。利用本裝置，可得到以下的結果雙頻光束2中頻率為ω1的光比雙頻光束1中同頻率光相對延時τ，而雙頻光束1中頻率為ω2的光比雙頻光束2中同頻率光相對延時τ。在圖1中分別標為ω1、ω2′[τ]、ω2、ω1′[τ]，其中ωi′[τ]表示比ω1延時τ(i＝1，2)。反射鏡R被裝在壓電陶瓷微位移驅動器(Inchworm)上，用計算機控制精密移動。位移精度優于1納米，從而改變光束的相對延時，延時精度優于2nm/(3×1017nm/秒)≈6阿秒。利用上述裝置，可進行原子系統中相位共軛阿秒和頻極化拍的測量。
以級聯三能級原子系統為例，如圖2所示，|0＞為基態，|1＞為中間態，|2＞為激發態。利用上述方法得到的泵浦光的幾何配制，如圖3所示。雙頻光束1、2中都包含ω1和ω2兩個頻率分量，波矢分別表示為k1、k2′、k2、k1′(帶撇的同樣表示激光有相對延時)。ω1和ω2分別接近于|0＞到|1＞、|1＞到|2＞的躍遷共振頻率Ω1和Ω2。光束3頻率為ω3，波矢為k3，假定ω3接近Ω1，ω1將感生出|0＞到|1＞的基態布局柵，探測光束3被此布局柵衍射后，產生了單光子簡并四波混頻(Degenerate Four Wave Mixing，簡稱為DFWM)信號，頻率為ω1，出射方向沿k1-k1′+k3，即圖3中光束4。而雙光子的非簡并四波混頻(Nondegenerate Four Wave Mixing簡稱為NDFWM)過程是雙頻光束1中的ω2和光束3中的ω3在級聯三能級系統中發生了Ω1+Ω2的雙光子過程，經含頻率分量ω2的光束2探測，產生了頻率為ω1的雙光子NDFWM信號，出射方向沿k2′-k2+k3，與光束4幾乎重合。在相位共軛配制中，雙頻光束1、2在樣品上形成很小夾角(約1°角)，光束3、4幾乎分別沿雙頻光束1、2的反方向前進。用探測器沿光束4方向可以接受到單光子DFWM過程和雙光子NDFWM過程間干涉形成的拍頻信號。從物理上講，混頻信號來源于原子與這三束光作用而感生的極化。利用上述方法和裝置，研究混頻信號隨泵光相對延遲的關系。由于泵光包括兩個頻率分量，它們將分別產生各自的極化。當改變泵光相對延遲時極化間的干涉使混頻信號強度產生調制。調制頻率直接對應于原子的能級結構。我們感興趣的是四波混頻信號強度和雙頻光束1、2中相對延遲時τ之間的關系。
雙頻光束1、2種同頻率的泵浦光分別來自同一光源。改變兩束泵浦光相對延遲，四波混頻信號強度呈現阻尼振蕩，其振蕩頻率(以相對延遲時τ為時間坐標)取決于激光線寬與原子均勻增寬的比值。設α1、α2分別為兩束泵光的帶寬，10、Г20分別為|0＞到|1＞和|1＞到|2＞躍遷的橫向馳豫。當泵光為窄帶激光，即α1＜＜10，α2＜＜20，產生的混頻信號強度呈現阻尼振蕩，其振蕩頻率為ω1+ω2，衰變率為α1+α2，反映了外部激光的特性而與能級系統無關。當泵光為寬帶激光時，泵光的帶寬αt遠大于樣品介質中產生的光學躍遷的均勻增寬，即α1＞＞10，α2＞＞20，產生的混頻信號振蕩頻率近似為Ω1+Ω2，衰變率為Г20+10。若反射鏡R的位移為L，則引起的相對光程差為2L，造成光束的相對延時為2L/c，其中c為光速。設ω1和ω2都在可見光范圍，則產生的混頻信號周期2/(Ω1+Ω2)或2/(ω1+ω2)在阿秒量級范圍。
測量前，盡可能調整光路，設反射鏡R在某一位置時，使k1、k2′、k2、k1′的整體光程幾乎相等。
1.設圖1中光束k1從圖1的C1為起點C1→C7→C8→B1，和光束k1′從C1為起點C1→C3→C1→B2。則光束k1、k1′的光程差為cτ，其量值由反射鏡R移動的距離L決定，2L＝cτ，τ為在B1、B2處時k1、k1′的相對延時。同樣，光束k2′從C2為起點，C2→C2′→C4→C2′→B1和光束k2從C2為起點C2→C2′→C8→C7→B2。則光束k2′、k2在B2、B1處的光程差也為cτ。相對時延也為τ。
2.進一步考慮到B2C5+C5C0和B1C6+C6C0并不相等，也會產生附加的相對延時Δτ(Δτ＞0，見圖3)。
3.分束片BSO有一定的厚度，圖1中沿水平方向射向反射鏡R的光束最終要比沿垂直方向射向棱鏡P的光束多經過兩次石英介質，由于色散，產生新的光程差，放置補償片DCF1可消除或減少由此產生的光程差。
4.棱鏡P也會產生色散，形成新的光程差，造成附加延時δτ(當ω1＞ω2時，δτ＞0，見圖3)，消除或減小δτ的方法是放置一定厚度的補償片DCF2；綜合考慮上述四種情況，光束k1、k2′、k2、k1′可寫為k1(Δτ+δτ)、k2′(τ+Δτ)、k2、k1′(τ)，如圖3所示。
用四波混頻方法對Na蒸汽進行測試。熱管爐F中充有1乇的緩沖氣體Ar，實驗中樣品溫度保持在225℃，形成一定密度的Na蒸汽。Na蒸汽的級聯三能級系統見圖2，3S1/2，3P1/2，3/2，4D3/2，5/2分別為基態，中間態和激發態。從基態到中間態和從中間態到激發態躍遷分別對應頻率Ω1、Ω2。圖1中右端輸入的兩束光(頻率為ω1、ω2)由NdYAG激光器泵浦二個染料激光器而產生，每秒10次脈沖，脈寬5ns。調整ω1≈Ω1，ω2≈Ω2。這兩束光經過阿秒延時器裝置(圖1中虛線框內部分)，形成雙頻光束1和雙頻光束2，每束光中都包含ω1、ω2，且相互之間有時延，時延的方式如前所述。用微機控制Inchworm，改變反射鏡R的位置可改變延時τ。雙頻光束1、2利用50％的分束片BS1、BS2射入熱管爐F。光束3作為探測光，沿雙頻光束1的相反方向傳播，頻率為ω1。雙頻光束1、2和光束3都有同樣的偏振方向，并被調整匯聚在熱管爐的中心。得到的四波混頻信號幾乎沿雙頻光束2的反向傳播(圖3中的光束4)，用光電倍增管探測后送入信號平均器(Boxcar)。微機采集數據并用來控制Inchworm以改變相對時間延時τ，得到四波混頻信號強度隨相對時延τ變化的曲線。
用本方法對原子系統中級聯三能級，Y型四能級、V型三能級等其它類型的能級系統的四波混頻及六波混頻信號測量均適用。其時間分辨能力能達到飛秒及阿秒時域，開創了不使用飛秒脈沖激光也能研究物質超快現象的新途徑。
權利要求
1.一種相位共軛阿秒和頻極化拍的測量方法，其特征在于，包括下列步驟1)首先設置入射頻率為ω1和ω2的兩束平行獨立的相干光或孿生色鎖噪聲光；并在光路上設置半透半反的分束片和棱鏡及可移動的全反鏡；2)入射頻率為ω1的光束由一個半透半反的分束片分為兩束光，其中分出的一束光由分束片反射至一棱鏡，然后由棱鏡折回并穿過分束片，得到頻率為ω1的第一光束；分束片分出的另一束光則穿過分束片至可移動的全反鏡，由該可移動的全反鏡將該光束反射回分束片，經分束片反射得到頻率也為ω1的第二光束；3)入射頻率為ω2的光束由一個半透半反的分束片分為兩束光，其中分出的一束光經分束片后至可移動的全反鏡，然后由全反鏡反射回分束片，由分束片反射后與頻率為ω1的第一光束重合，得到雙頻光束(1)；分束片分出的另一束光則由分束片反射至棱鏡，由棱鏡將該光束反射折回分束片，與頻率為ω1的第二光束重合，得到雙頻光束(2)；4)雙頻光束(1)和雙頻光束(2)都包含兩個頻率ω1和ω2，其中雙頻光束(2)中頻率為ω1的光比雙頻光束(1)中同頻率ω1的光相對延時τ，雙頻光束(1)中頻率為ω2的光的比雙頻光束(2)中同頻率ω2的光相對延時τ；移動全反鏡即可改變雙頻光束(1、2)各頻率光的相對延時，從而改變相位差；5)雙頻光束(1)和雙頻光束(2)以及與雙頻光束(1)反向傳播的儀含有ω3的第三束光匯聚于樣品上，產生的相位共軛阿秒和頻極化拍信號沿雙頻光束2的反向出射，即可進行相位共軛阿秒和頻極化拍的測量。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的半透半反的分束片反射的光路上還設有第一補償片，其位置在棱鏡之前，在半透半反的分束片透射的光路上設置有第二補償片。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的可移動的全反鏡安裝在壓電陶瓷微位移驅動器上，由計算機控制移動。
全文摘要
本發明公開了一種相位共軛阿秒和頻極化拍的測量方法，將頻率為ω
文檔編號G01N21/63GK1710408SQ20051004285
公開日2005年12月21日 申請日期2005年6月27日 優先權日2005年6月27日
發明者張彥鵬, 宋建平, 甘琛利, 李創社, 張相臣 申請人:西安交通大學
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