專(zhuān)利名稱(chēng)：相位共軛阿秒和頻極化拍的測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)測(cè)量方法，具體是一種相位共軛阿秒和頻極化拍的測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
通常利用飛秒脈沖激光可研究物質(zhì)的超塊過(guò)程，時(shí)間分辨率取決于激光脈寬。目前還沒(méi)有利用納秒脈沖激光測(cè)量阿秒時(shí)間量級(jí)的物質(zhì)的超塊過(guò)程的先例。經(jīng)過(guò)申請(qǐng)人檢索，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)與本申請(qǐng)相關(guān)的文獻(xiàn)，為了理解本發(fā)明，申請(qǐng)人給出以下相關(guān)參考文獻(xiàn)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(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出一種相位共軛阿秒和頻極化拍的測(cè)量方法，該方法能夠制備阿秒延時(shí)裝置。利用納秒脈沖激光的相位共軛極化拍方法研究物質(zhì)超快調(diào)制過(guò)程，其時(shí)間分辨率取決于激光相干時(shí)間，而與激光脈寬無(wú)關(guān)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案一種相位共軛阿秒和頻極化拍的測(cè)量方法，其特征在于，包括下列步驟1)首先設(shè)置入射頻率為ω1和ω2的兩束平行獨(dú)立的相干光或?qū)\生色鎖噪聲光；并在光路上設(shè)置分束片和棱鏡及可移動(dòng)的全反鏡；2)入射頻率為ω1的光束由一個(gè)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(guò)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(guò)分束片至可移動(dòng)的全反鏡，由該可移動(dòng)的全反鏡將該光束反射回分束片，經(jīng)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(gè)半透半反的分束片分為兩束光，其中分出的一束光經(jīng)分束片后至可移動(dòng)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(gè)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(duì)延時(shí)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(duì)延時(shí)τ；移動(dòng)全反鏡即可改變雙頻光束1、2各頻率光的相對(duì)延時(shí)，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(chǎn)生的相位共軛阿秒和頻極化拍信號(hào)沿雙頻光束2的反向出射，即可進(jìn)行相位共軛阿秒和頻極化拍的測(cè)量。
采用上述方法可以制備用于原子系統(tǒng)中相位共軛阿秒和頻極化拍測(cè)量的阿秒延時(shí)裝置，對(duì)原子系統(tǒng)中級(jí)聯(lián)三能級(jí)，Y型四能級(jí)、V型三能級(jí)等其它類(lèi)型的能級(jí)系統(tǒng)的四波混頻及六波混頻信號(hào)測(cè)量均適用。利用本裝置，可得到以下的結(jié)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(duì)延時(shí)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(duì)延時(shí)τ。


圖1是本發(fā)明方法的測(cè)量原理圖。
圖2是級(jí)聯(lián)三能級(jí)位形圖；圖3是幾何配制圖。
下面結(jié)合附圖和本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)方案對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)圖1，圖1是本發(fā)明的測(cè)量方法原理圖。首先設(shè)置入射頻率為ω1和ω2兩束平行獨(dú)立的相干光或?qū)\生色鎖噪聲光的光源，在該光源射出的光路上，設(shè)有一半透半反的分束片BSO，將光源分為兩路；其中的一路經(jīng)過(guò)與半透半反的分束片BSO反射，在該反射的光路上設(shè)有第一補(bǔ)償片DCF1，并在第一補(bǔ)償片DCF1的光路上設(shè)置有棱鏡P；另一路穿過(guò)半透半反的分束片BSO透射，在該透射的光路上還設(shè)置有第二補(bǔ)償片DCF2，并在第二補(bǔ)償片DCF2的光路上設(shè)置有可移動(dòng)的全反鏡R。
在圖1中，將兩束獨(dú)立的相干光或?qū)\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(dòng)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(gè)頻率ω1和ω2。移動(dòng)全反鏡R可改變光束的相對(duì)延時(shí)τ，從而改變相位差。利用本裝置，可得到以下的結(jié)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(duì)延時(shí)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(duì)延時(shí)τ。在圖1中分別標(biāo)為ω1、ω2′[τ]、ω2、ω1′[τ]，其中ωi′[τ]表示比ω1延時(shí)τ(i＝1，2)。反射鏡R被裝在壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)器(Inchworm)上，用計(jì)算機(jī)控制精密移動(dòng)。位移精度優(yōu)于1納米，從而改變光束的相對(duì)延時(shí)，延時(shí)精度優(yōu)于2nm/(3×1017nm/秒)≈6阿秒。利用上述裝置，可進(jìn)行原子系統(tǒng)中相位共軛阿秒和頻極化拍的測(cè)量。
以級(jí)聯(lián)三能級(jí)原子系統(tǒng)為例，如圖2所示，|0＞為基態(tài)，|1＞為中間態(tài)，|2＞為激發(fā)態(tài)。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(gè)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(duì)延時(shí))。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(tài)布局柵，探測(cè)光束3被此布局柵衍射后，產(chǎn)生了單光子簡(jiǎn)并四波混頻(Degenerate Four Wave Mixing，簡(jiǎn)稱(chēng)為DFWM)信號(hào)，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(jiǎn)并四波混頻(Nondegenerate Four Wave Mixing簡(jiǎn)稱(chēng)為NDFWM)過(guò)程是雙頻光束1中的ω2和光束3中的ω3在級(jí)聯(lián)三能級(jí)系統(tǒng)中發(fā)生了Ω1+Ω2的雙光子過(guò)程，經(jīng)含頻率分量ω2的光束2探測(cè)，產(chǎn)生了頻率為ω1的雙光子NDFWM信號(hào)，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(jìn)。用探測(cè)器沿光束4方向可以接受到單光子DFWM過(guò)程和雙光子NDFWM過(guò)程間干涉形成的拍頻信號(hào)。從物理上講，混頻信號(hào)來(lái)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(hào)隨泵光相對(duì)延遲的關(guān)系。由于泵光包括兩個(gè)頻率分量，它們將分別產(chǎn)生各自的極化。當(dāng)改變泵光相對(duì)延遲時(shí)極化間的干涉使混頻信號(hào)強(qiáng)度產(chǎn)生調(diào)制。調(diào)制頻率直接對(duì)應(yīng)于原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)。我們感興趣的是四波混頻信號(hào)強(qiáng)度和雙頻光束1、2中相對(duì)延遲時(shí)τ之間的關(guān)系。
雙頻光束1、2種同頻率的泵浦光分別來(lái)自同一光源。改變兩束泵浦光相對(duì)延遲，四波混頻信號(hào)強(qiáng)度呈現(xiàn)阻尼振蕩，其振蕩頻率(以相對(duì)延遲時(shí)τ為時(shí)間坐標(biāo))取決于激光線(xiàn)寬與原子均勻增寬的比值。設(shè)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(dāng)泵光為窄帶激光，即α1＜＜10，α2＜＜20，產(chǎn)生的混頻信號(hào)強(qiáng)度呈現(xiàn)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(jí)系統(tǒng)無(wú)關(guān)。當(dāng)泵光為寬帶激光時(shí)，泵光的帶寬αt遠(yuǎn)大于樣品介質(zhì)中產(chǎn)生的光學(xué)躍遷的均勻增寬，即α1＞＞10，α2＞＞20，產(chǎn)生的混頻信號(hào)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(zhǎng)，則引起的相對(duì)光程差為2L，造成光束的相對(duì)延時(shí)為2L/c，其中c為光速。設(shè)ω1和ω2都在可見(jiàn)光范圍，則產(chǎn)生的混頻信號(hào)周期2/(Ω1+Ω2)或2/(ω1+ω2)在阿秒量級(jí)范圍。
測(cè)量前，盡可能調(diào)整光路，設(shè)反射鏡R在某一位置時(shí)，使k1、k2′、k2、k1′的整體光程幾乎相等。
1.設(shè)圖1中光束k1從圖1的C1為起點(diǎn)C1→C7→C8→B1，和光束k1′從C1為起點(diǎn)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(dòng)的距離L決定，2L＝cτ，τ為在B1、B2處時(shí)k1、k1′的相對(duì)延時(shí)。同樣，光束k2′從C2為起點(diǎn)，C2→C2′→C4→C2′→B1和光束k2從C2為起點(diǎn)C2→C2′→C8→C7→B2。則光束k2′、k2在B2、B1處的光程差也為cτ。相對(duì)時(shí)延也為τ。
2.進(jìn)一步考慮到B2C5+C5C0和B1C6+C6C0并不相等，也會(huì)產(chǎn)生附加的相對(duì)延時(shí)Δτ(Δτ＞0，見(jiàn)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(jīng)過(guò)兩次石英介質(zhì)，由于色散，產(chǎn)生新的光程差，放置補(bǔ)償片DCF1可消除或減少由此產(chǎn)生的光程差。
4.棱鏡P也會(huì)產(chǎn)生色散，形成新的光程差，造成附加延時(shí)δτ(當(dāng)ω1＞ω2時(shí)，δτ＞0，見(jiàn)圖3)，消除或減小δτ的方法是放置一定厚度的補(bǔ)償片DCF2；綜合考慮上述四種情況，光束k1、k2′、k2、k1′可寫(xiě)為k1(Δτ+δτ)、k2′(τ+Δτ)、k2、k1′(τ)，如圖3所示。
用四波混頻方法對(duì)Na蒸汽進(jìn)行測(cè)試。熱管爐F中充有1乇的緩沖氣體Ar，實(shí)驗(yàn)中樣品溫度保持在225℃，形成一定密度的Na蒸汽。Na蒸汽的級(jí)聯(lián)三能級(jí)系統(tǒng)見(jiàn)圖2，3S1/2，3P1/2，3/2，4D3/2，5/2分別為基態(tài)，中間態(tài)和激發(fā)態(tài)。從基態(tài)到中間態(tài)和從中間態(tài)到激發(fā)態(tài)躍遷分別對(duì)應(yīng)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(gè)染料激光器而產(chǎn)生，每秒10次脈沖，脈寬5ns。調(diào)整ω1≈Ω1，ω2≈Ω2。這兩束光經(jīng)過(guò)阿秒延時(shí)器裝置(圖1中虛線(xiàn)框內(nèi)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(shí)延，時(shí)延的方式如前所述。用微機(jī)控制Inchworm，改變反射鏡R的位置可改變延時(shí)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(cè)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(diào)整匯聚在熱管爐的中心。得到的四波混頻信號(hào)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(cè)后送入信號(hào)平均器(Boxcar)。微機(jī)采集數(shù)據(jù)并用來(lái)控制Inchworm以改變相對(duì)時(shí)間延時(shí)τ，得到四波混頻信號(hào)強(qiáng)度隨相對(duì)時(shí)延τ變化的曲線(xiàn)。
用本方法對(duì)原子系統(tǒng)中級(jí)聯(lián)三能級(jí)，Y型四能級(jí)、V型三能級(jí)等其它類(lèi)型的能級(jí)系統(tǒng)的四波混頻及六波混頻信號(hào)測(cè)量均適用。其時(shí)間分辨能力能達(dá)到飛秒及阿秒時(shí)域，開(kāi)創(chuàng)了不使用飛秒脈沖激光也能研究物質(zhì)超快現(xiàn)象的新途徑。
權(quán)利要求
1.一種相位共軛阿秒和頻極化拍的測(cè)量方法，其特征在于，包括下列步驟1)首先設(shè)置入射頻率為ω1和ω2的兩束平行獨(dú)立的相干光或?qū)\生色鎖噪聲光；并在光路上設(shè)置半透半反的分束片和棱鏡及可移動(dòng)的全反鏡；2)入射頻率為ω1的光束由一個(gè)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(guò)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(guò)分束片至可移動(dòng)的全反鏡，由該可移動(dòng)的全反鏡將該光束反射回分束片，經(jīng)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(gè)半透半反的分束片分為兩束光，其中分出的一束光經(jīng)分束片后至可移動(dòng)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(gè)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(duì)延時(shí)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(duì)延時(shí)τ；移動(dòng)全反鏡即可改變雙頻光束(1、2)各頻率光的相對(duì)延時(shí)，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(chǎn)生的相位共軛阿秒和頻極化拍信號(hào)沿雙頻光束2的反向出射，即可進(jìn)行相位共軛阿秒和頻極化拍的測(cè)量。
2.如權(quán)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(shè)有第一補(bǔ)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(shè)置有第二補(bǔ)償片。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的可移動(dòng)的全反鏡安裝在壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)器上，由計(jì)算機(jī)控制移動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種相位共軛阿秒和頻極化拍的測(cè)量方法，將頻率為ω
文檔編號(hào)G01N21/63GK1710408SQ20051004285
公開(kāi)日2005年12月21日 申請(qǐng)日期2005年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月27日
發(fā)明者張彥鵬, 宋建平, 甘琛利, 李創(chuàng)社, 張相臣 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)