第七章非线性激光

1、第七章第七章 非线性激光光谱学非线性激光光谱学 非线性吸收非线性吸收 饱和光谱饱和光谱 偏振光谱偏振光谱 多光子光谱多光子光谱 Raman光谱光谱非线性非线性Doppler-freeDoppler-free谱的一般原理谱的一般原理1.饱和泵浦：饱和泵浦：泵浦特定速度群的原子泵浦特定速度群的原子/分子，分子， 减少探测光的吸收。减少探测光的吸收。 与相向探测：与相向探测：挑选挑选Vz=0的原子的原子( )2.双光子或多光子：双光子或多光子：同时相向激发每一个原子同时相向激发每一个原子0Vk开放的开放的 vs 封闭的二能级系统封闭的二能级系统第第7.1节节 线性与非线性吸收线性与非线性吸收稳态解：

2、稳态解：其中其中S为饱和参数为饱和参数Relaxation rate including spontaneous emission其他能级跳到此能级其他能级跳到此能级非饱和条件非饱和条件（0）：）：饱和条件：饱和条件：开放系统开放系统 vs 封闭系统封闭系统1221121212/2/2. .)IB I c RNNB I c RRNie N N （12122111212121212()/(+)/+ICCB IcR CNRRB IcR RCCRR N1+N2=N (常数常数), C1 = R2N2, C2 = R1N1*121212*12()BB IR RsRRR cRR121212+()2BB

3、IRRsRRRc1ssII饱和光强为饱和光强为S=1时的光强时的光强如果激光线如果激光线L宽比吸收线宽宽比吸收线宽a大：大：如果激发态的自发辐射是唯一的驰豫过程：如果激发态的自发辐射是唯一的驰豫过程：第第7.2节节 非均匀线型的饱和非均匀线型的饱和特定频率激发在特定频率激发在Vz分布曲线上烧孔（分布曲线上烧孔（Bennet Hole）：）：跃迁截面：跃迁截面：粒子数变化：粒子数变化：其中，其中，均匀线宽：均匀线宽： 饱和线宽：饱和线宽： 纵向弛豫时间：纵向弛豫时间： 横向弛豫时间：横向弛豫时间： 饱和光强：饱和光强：),(),(),(21zzzsvNvNvN饱和泵浦条件下粒子数差：饱和泵浦条件

4、下粒子数差：当当粒子数差最小，吸收也最小粒子数差最小，吸收也最小Bennet HoleHole widthHole depth一，一，Bennet烧孔烧孔烧孔必须由另一探测光探测烧孔必须由另一探测光探测泵浦光频率泵浦光频率由于由于Doppler宽度，同时扫宽度，同时扫描同向泵浦光和探测光只能描同向泵浦光和探测光只能探测导吸收减少和增宽，不探测导吸收减少和增宽，不能探测到能探测到Bennet hole；要想探测要想探测Bennet hole，必须固定泵浦光频率，必须固定泵浦光频率，而扫描探测频率而扫描探测频率探测探测Bennet hole1 1，固定光泵光频率，固定光泵光频率2 2，扫描弱探测光

5、频率，扫描弱探测光频率烧孔位置烧孔位置烧孔宽度烧孔宽度+ +：同向传播：同向传播- -：反向传播：反向传播同束激光分束从相反方向经过介质吸收，粒子数差为：同束激光分束从相反方向经过介质吸收，粒子数差为：二，二，Lamb 凹陷凹陷 （非均匀加宽线型）（非均匀加宽线型）吸收系数（吸收系数（Lamb Dip）：）：S 1, 驻波，驻波， = 0产生两个产生两个Bennet 孔孔BennetBennet hole holeLamb holeLamb hole均匀与非均匀加宽线型的比较均匀与非均匀加宽线型的比较均匀线型均匀线型非均匀线型：两束光非均匀线型：两束光频率同时扫描频率同时扫描非均匀线型：泵浦光

6、非均匀线型：泵浦光频率固定，探测光频频率固定，探测光频率扫描率扫描在强光泵条件下：在强光泵条件下：S增大增大Lamb dip加深加深Lamb dip增宽增宽第第7.3节节 饱和吸收光谱饱和吸收光谱（Lamb凹陷光谱）凹陷光谱）原理：原理：Doppler加宽跃迁的速度选择饱和。加宽跃迁的速度选择饱和。 Pump-Probe，调制扣背景，调制扣背景没有没有Doppler背景的背景的Lamb dip 峰峰实验实验1，只记录探测光，则是有，只记录探测光，则是有Doppler背景的背景的Lamb dipDoppler backgroundLamb dip实验实验2，通过，通过D3-D2，消除消除Dopp

7、ler背景背景交叉峰交叉峰 （Cross-Over）k1与与z方向相反方向相反a跃迁跃迁(a1)vkvkaaa10101.b跃迁跃迁(b1)vkvkbbb10101.K2与与z方向相反方向相反a跃迁跃迁(a2)vkvkaaa20202.b跃迁跃迁(b2)vkvkbbb20202.a1和和a2 结合、结合、 b1和和b2结合是前面的饱和吸收结合是前面的饱和吸收a1和和b2结合、结合、 a2和和b1结合是前面的饱和吸收结合是前面的饱和吸收21aa0v21bb0v21ba200abkv)(21kkk12ba200abkvl 两个谱峰的中间值；两个谱峰的中间值；l 同种原子交叉；同种原子交叉；当共低能

8、级，交叉峰符号为负当共低能级，交叉峰符号为负当共高能级，交叉峰符号为正当共高能级，交叉峰符号为正Cs原子各种同位素为例原子各种同位素为例饱和吸收谱用于稳频饱和吸收谱用于稳频输出信号强度：输出信号强度：相应的微分信号相应的微分信号饱和吸收信号的一阶和三阶微分信号都饱和吸收信号的一阶和三阶微分信号都可以用来稳频（无可以用来稳频（无Doppler背景，色散背景，色散信号可以用来反馈）信号可以用来反馈）利用一个激光器锁定和移动另外一个激光器的频率利用一个激光器锁定和移动另外一个激光器的频率SAS stabilizationmixtureRF referenceRF dcNegative feedbac

9、kLaser 1Laser 2 利用利用SAS将将laser 1频率稳定，将频率稳定，将laser 1和和laser 2重叠得到重叠得到frequency beat，此，此beat信号有快速探测器记录，然后和信号有快速探测器记录，然后和RF reference混合相减，其相减信号仍然是混合相减，其相减信号仍然是RF信号，此时利用信号，此时利用RFdc转转换器得到直流信号，然后负反馈到换器得到直流信号，然后负反馈到laser 2就可以将其锁定就可以将其锁定。（改变。（改变RF reference 的频率，可以将laser 2 锁定在不同的频率电）光的偏振：光的偏振： 传播方向传播方向k，迎着，迎

10、着k看偏振面左旋、右旋看偏振面左旋、右旋量子化轴：量子化轴： +z选择定则：选择定则： M = M M” = 0, 1 ( ， ，表示上态、表示上态、”标志下标志下态态) 磁场方向：磁场方向： B Zeeman效应：效应： 0BBM左旋、右旋，左旋、右旋， +、 - 与与 M= 1 kk +- kkk- +BB L 0+ 0 0 0 L- 0 L- L 0+B / k (Longtitudinal) B k (Transverse) 表示平行，表示平行， 表示正交表示正交/ /垂直，垂直，+ / - + / - 表示频率的增加与减少，表示频率的增加与减少，相对于相对于z z轴轴/B, /B,

11、不不是是k k参见：参见：A.Corney,“Atomic and Laser Spectroscopy” (1977), p.123 H.Haken et.al., “The Physics of Atoms and Quanta”(6th, 2000), 212 /wiki/Circular_polarization第第7.4节节 偏振光谱偏振光谱第第7.4节节 偏振光谱偏振光谱原理：原理： 由于光泵效应，偏振的泵浦光由于光泵效应，偏振的泵浦光I2导致介质的折射率和吸收系数发生导致介质的折射率和吸收系数发生变化，从而影响线偏振的探测光变化，从而影

12、响线偏振的探测光I1的偏振状态。的偏振状态。I2I2I1与与Faraday效应类似：效应类似：Faraday效应：效应：磁场诱导偏振面旋转磁场诱导偏振面旋转 所有原子参与所有原子参与偏振光谱：偏振光谱： 光泵导致介质各向异性光泵导致介质各向异性 特定速度群原子特定速度群原子原理：原理： 在光泵过程中，由于跃迁选择定则、每个跃迁的跃迁几率不同，偏振的泵浦光在光泵过程中，由于跃迁选择定则、每个跃迁的跃迁几率不同，偏振的泵浦光I2导导致介质致介质J的各个磁子能级的各个磁子能级M最后的布局数不同，也就导致角动量最后的布局数不同，也就导致角动量J的取向各向异性。各向异性的取向各向异性。各向异性的介质能使探测线偏振光发生偏振偏转，类似磁场的介质能使探测线偏振光发生偏振偏转，类似磁场Faraday效应，折射率和吸收系数发生变效应，折射率和吸收系数发生变化化I2I2I1探测线偏振光可以分解为两个圆偏振光探测线偏振光可