【光-原子混合干涉仪综述4900字】

光-原子混合干涉仪综述目录TOC\o"1-3"\h\u18750光-原子混合干涉仪综述 1105601.1全光干涉仪 116281.2原子干涉 666091.3光-原子混合干涉仪 81.1全光干涉仪这一章节先介绍全光干涉仪和原子干涉仪，然后详细的阐述了拉曼过程以及光-原子混合干涉仪的原理和结构。光学干涉仪具体种类非常的多，本文就不一一详细介绍，这里以最常见到的MZ干涉仪，Hong-Ou-Mandel干涉仪以及最近研究相当火热的SU(1,1)为例进行介绍。在介绍上面三种干涉仪之前首先介绍一下分束器的相关原理。1.1.1分束器分束器(BeamSpiliter,BS)在许多干涉仪中都有所用到，它可以将一束光分为两束或多束光，一般是不同反射率和透射率的金属膜或者介质膜构成。这里用矩阵变换模型对其输入输出进行推导，如图2-1。图2-1分束器Figure2-1BeamSpiliter用玄正变换来表示分束器的输出：b同时Aij=|Aij|ei又因为必须满足玻色子对易和粒子数守恒：bb即可得到如下公式:φA11A12这里T和R分别为透射率和折射率，又因为φφφ在不考虑相对相位的情况下，且当透射率和折射率相等都为0.5时，则玄正变换又可以化为A因此可以得到输入输出的关系：ba1事实上在我们后面介绍的光-原子混合干涉仪中用的极化分束器（PBS）,它具有使水平极化的光穿过而垂直极化的光全部反射，若一束光同时具有水平和垂直极化方向，那么这束光穿过PBS之后会分成相互垂直的水平极化光和垂直极化光。1.1.2马赫-曾德尔干涉仪M–Z干涉仪结构如图2-2图2-2:经典线性马赫-曾德尔干涉仪Fig.2-2：classicallinearMach-Zehnderinterferometer马赫-曾德尔干涉仪的工作原理：光场从A,B方向进入，经过一个50/50光束分束器，经过传播之后又分别从C,D方向在合束器汇聚然后输出。这里用的分束器和合束器的透射率和反射率相同，透射率分别用T1和T2表示，反射率用R1和R2表示，即T1=T2=1/2,R1=R2=1/2。用ain和bin代表输入端，aout和bout代表输出端。这种条件下，易得线性M–Z干涉仪的整体输入-输出关系为:aout=bout其中，φ代表的是干涉仪内的相位，也就是当输入一定时，φ决定了aout和bout的输出。接着从信噪比SNR≡其中Δφ是待测的微小相位。因为相位不能通过测量得到，因此这里采用的是平衡零拍探测的方法来通过正交分量来间接测量相位，实验中的正交分量的实际测量值可表示为为χ≡X(θ)=e−iθγ+eiθγ†，SNR=2公式里Ips=α2/2代表光场强度，它与相位的变化密切相关。这里我们再次假设信噪比SNR=1，因为SNR=1意味着信号大小与噪音的大小完全一样，这种情况下测量的就是信号的极限情况，此时可得相位灵敏度为也就是标准量子极限Δ这里N的值是输入的相干态ain干涉仪自诞生以来，数以万计的研究人员为了提高其灵敏度采用了很多的方法。同样的条件下信噪比越高也就意味着灵敏度越高，比如通过引入压缩光来降低噪声[11]，使其低于标准量子极限，从而达到提高信噪比的目的，最终干涉仪的相位灵敏度也得到提高。通过改变干涉仪的结构来提高信号的强度也是提高信噪比的一种常见的方法，比如SU（1,1）干涉仪就是利用四波混频过程来提高信号强度，最终达到提高相位灵敏度的目的。1.1.3SU（1,1）干涉仪这里简单介绍下非线性SU（1,1）光学干涉仪如图2-3。图2-3:SU（1,1）光学干涉仪Fig.2-3：SU（1,1）opticalinterferometer在图2-3里面可以看到，SU（1,1）光学干涉仪是在MZ干涉仪的基础上，用非线性光学参量放大器来取代经典的合束器与分束器，并且比经典的MZ干涉仪多输入了一束泵浦光，这束泵浦光通过增大输出信号的幅度来提高灵敏度。现在为了追求更高的灵敏度，SU（1,1）光学干涉仪中一般采用拉曼过程或者四波混频过程来取代非线性光学参量放大器，采用四波混频过程的SU（1,1）光学干涉仪工作过程可以可以简单描述为第一次四波混频实现分束器的作用，在这个过程中既实现了信号光的增强又产生了闲置光，然后信号光和闲置光又在原子系综里面实现第二次四波混频，这个过程相当于合束的作用并且得到干涉光。1.1.4Hong-Ou-Mandel干涉仪HOM干涉属于典型的双光子干涉，它是上世纪八十年代有C.K.Hong和Z.Y。Ou以及L.Mandel这三人共同发现的，这也是HOM干涉名字的由来，HOM干涉仪如图2-4图2-3:HOM干涉仪。BBO：非线性晶体，Laster：泵浦光，signal：信号光，idler：闲置光，BS：分束器Fig.2-3：HOMinterferometer.BBO：nonlinearcrystal,Laster：pumplight，signal：signallight，idler：idlerlight，BS：beamsplitter频率为ω1的泵浦光打到非线性晶体上面与其发生作用也就是自发参量下转换(Spontaneousparametricdownconversion),结果产生频率为ω2的信号光与频率为ωk然后信号光与闲置光在50/50分束器汇聚发生干涉。图中的BS可以移动来改变光程差，当光程差为零，两束光子不能够射出也就是出现相消干涉。1.2原子干涉实现物质波比如原子，中子等干涉的干涉仪被称为物质波干涉仪。物质波干涉仪是在粒子波动性的基础上建立的，可以运用在某些光学干涉仪不能很好运用的一些研究，比如验证一些量子力学A-C效应，对广义相对论进行检验等。自从上世纪九十年代首台原子的物质波干涉仪成功研制[12]，原子干涉仪得到了飞速的发展，特别是在引力领域的应用。接下来将简明的阐述一下原子干涉仪的基本原理。同光学干涉仪类似，原子干涉仪中物质波沿着不同的前进，经过分束与合束的作用，并且造成相干物质波的叠加和相消，最后通过波的干涉结果来展示各种有效的信息。目前原子干涉仪的制备方向主要有两种，一种是以三光栅结构干涉仪为代表的使用精细机械结构的分束器对原子波包进行分束与合束，另一种是运用受激拉曼跃迁制得的原子干涉仪，这种干涉仪不但结构上出色，在原理上更是与最新的原子光学和量子光学的最新发展紧紧结合，这种干涉仪是目前原子干涉仪的主要方向，下面将以铯原子为例简单介绍一下这种原子干涉仪的工作原理。因为光对原子具有力学作用，所以当铯原子吸收一个ω1频率的光子后，紧接着会自发辐射一个ω2频率的光子，这个过程就是拉曼跃迁图2-4，此时必须保证ω1与ω2图2-4:拉曼跃迁Fig.2-4：Ramanscattering具体工作过程为：原子干涉仪中的处于|g,p→⟩态铯原子波包依次经历π/2→π→π/2拉曼激光作用图2-5，这里的第一个π/2的拉曼激光的作用是使处于|g,p→⟩态的原子和|m,p→+ℏk→eff⟩态的原子处于相干叠加态，π的拉曼激光的作用是处于|g,p图2-5:拉曼激光序列实现的线性马赫-曾德尔原子干涉仪原理图Fig.2-5：IlustrationofalinearMach-ZehnderatominterferometerusingRamanlasersequences原子拉曼跃迁不仅可以采用空间的激光序列来完成，也可以采用时域的激光脉冲来完成。此外因为微纳加工技术的不断进步，材料光栅和运用电磁场等技术来控制原子等技术也被运用来制造新型的原子干涉仪。以上是线性原子干涉仪的原理，也有科学家实现了非线性原子干涉仪[13]的制备图2-6。T.Zibold等人利用玻色-爱因斯坦凝聚，以one-axis-twisting的手段来代替经典的线性分束器，最终也达到了突破了标准量子极限的目的，并且这是相干自旋态在原子干涉仪的一大突破性进展。图2-6:非线性原子干涉仪原理图。非线性分束器代替线性分束器对输入态进行分束，产生相干自旋压缩态。Fig.2-6：Schematicdiagramofnonlinearatomicinterferometer.Insteadoflinearbeamsplitter,nonlinearbeamsplittersplitstheinputstatetoproducecoherentspinsqueezedstate。原子干涉仪自诞生之日起，其种类和应用场景都在不断的丰富，理论也愈加的完善，已经从理论验证阶段发展到了广泛应用于各个领域，并且得益于原子芯片技术更加成熟的今天，原子干涉仪也面临着高度集成化，功能多样化和应用多样化的发展方向。总之，全光干涉仪和原子干涉仪自上世纪七十年代以来都有很大发展，在日常生活的领域都有它们活跃的身影。为了提高干涉仪的精度，经典的输入场和分束器面临被淘汰的局面，以压缩光为代表的新型输入场和使用参量放大等过程代替传统的分束器，成为提高精度的主要手段。同样利用原子系综中的拉曼散射制备得到的光-原子混合干涉仪成为了一种不可忽视的干涉仪，下面一部分就是介绍光-原子混合干涉仪的原理和应用。1.3光-原子混合干涉仪在具体了解原子-光混合干涉仪之前，首先介绍下受激拉曼散射和关联增强相位灵敏的拉曼散射，他们分别在光-原子混合干涉仪中起着分束与合束的作用。受激拉曼散射具体可描述为图2-7：泵浦光和斯托克斯光同时注入原子池中与里面的原子进行作用，然后泵浦光和斯托克斯光再从原子池中射出，并且原子池中产生了原子自旋波，在这个过程中注入的斯托克斯光是作为种子光起着增强出射斯托克斯光的作用且其必须保证满足在频率上与泵浦光实现双光子共振。图2-7:受激拉曼散射。P:泵浦光；Sin:注入的斯托克斯光；Sout:出射的斯托克斯光场；Sa：原子自旋波Fig.2-7：StimulatedRamanscattering。P:Pumplight；Sin:InjectedStokeslight；Sout:OutgoingStokeslight；Sa：Atomicspinwave联增强相位灵敏的拉曼散射具体可描述为图2-8：原子池中已经存在原子自旋波，然后向原子池中注入泵浦光和斯托克斯光进行作用，最后泵浦光和斯托克斯光从另一侧射出，该过程是为了增强原子自旋波，并且相敏特性与原子自旋波和入射的斯托克斯光的相位有关。图2-8:关联增强相位灵敏的拉曼散射。P:泵浦光；Sin:注入的斯托克斯光；Sout:出射的斯托克斯光场；Sa：原子自旋波Fig.2-8：CorrelatedRamanscattering。P:Pumplight；Sin:InjectedStokeslight；Sout:OutgoingStokeslight；Sa具体的光-原子混合干涉仪工作过程如下图2-9,首先通过受激拉曼散射绝热通道[14]在原子池里面制备原子自旋波Sa并且使其所带的拓扑电荷数为la，然后将带有拓扑电荷ls的斯托克斯光场a0和带有拓扑电荷lp的泵浦光Ap,1