第七章非線性激光

1、第七章第七章 非線性激光光譜學(xué)非線性激光光譜學(xué) 非線性吸收非線性吸收 飽和光譜飽和光譜 偏振光譜偏振光譜 多光子光譜多光子光譜 Raman光譜光譜非線性非線性Doppler-freeDoppler-free譜的一般原理譜的一般原理1.飽和泵浦：飽和泵浦：泵浦特定速度群的原子泵浦特定速度群的原子/分子，分子， 減少探測光的吸收。減少探測光的吸收。 與相向探測：與相向探測：挑選挑選Vz=0的原子的原子( )2.雙光子或多光子：雙光子或多光子：同時相向激發(fā)每一個原子同時相向激發(fā)每一個原子0Vk開放的開放的 vs 封閉的二能級系統(tǒng)封閉的二能級系統(tǒng)第第7.1節(jié)節(jié) 線性與非線性吸收線性與非線性吸收穩(wěn)態(tài)解：

2、穩(wěn)態(tài)解：其中其中S為飽和參數(shù)為飽和參數(shù)Relaxation rate including spontaneous emission其他能級跳到此能級其他能級跳到此能級非飽和條件非飽和條件（0）：）：飽和條件：飽和條件：開放系統(tǒng)開放系統(tǒng) vs 封閉系統(tǒng)封閉系統(tǒng)1221121212/2/2. .)IB I c RNNB I c RRNie N N （12122111212121212()/(+)/+ICCB IcR CNRRB IcR RCCRR N1+N2=N (常數(shù)常數(shù)), C1 = R2N2, C2 = R1N1*121212*12()BB IR RsRRR cRR121212+()2BB

3、IRRsRRRc1ssII飽和光強(qiáng)為飽和光強(qiáng)為S=1時的光強(qiáng)時的光強(qiáng)如果激光線如果激光線L寬比吸收線寬寬比吸收線寬a大：大：如果激發(fā)態(tài)的自發(fā)輻射是唯一的馳豫過程：如果激發(fā)態(tài)的自發(fā)輻射是唯一的馳豫過程：第第7.2節(jié)節(jié) 非均勻線型的飽和非均勻線型的飽和特定頻率激發(fā)在特定頻率激發(fā)在Vz分布曲線上燒孔（分布曲線上燒孔（Bennet Hole）：）：躍遷截面：躍遷截面：粒子數(shù)變化：粒子數(shù)變化：其中，其中，均勻線寬：均勻線寬： 飽和線寬：飽和線寬： 縱向弛豫時間：縱向弛豫時間： 橫向弛豫時間：橫向弛豫時間： 飽和光強(qiáng)：飽和光強(qiáng)：),(),(),(21zzzsvNvNvN飽和泵浦條件下粒子數(shù)差：飽和泵浦條件

4、下粒子數(shù)差：當(dāng)當(dāng)粒子數(shù)差最小，吸收也最小粒子數(shù)差最小，吸收也最小Bennet HoleHole widthHole depth一，一，Bennet燒孔燒孔燒孔必須由另一探測光探測燒孔必須由另一探測光探測泵浦光頻率泵浦光頻率由于由于Doppler寬度，同時掃寬度，同時掃描同向泵浦光和探測光只能描同向泵浦光和探測光只能探測導(dǎo)吸收減少和增寬，不探測導(dǎo)吸收減少和增寬，不能探測到能探測到Bennet hole；要想探測要想探測Bennet hole，必須固定泵浦光頻率，必須固定泵浦光頻率，而掃描探測頻率而掃描探測頻率探測探測Bennet hole1 1，固定光泵光頻率，固定光泵光頻率2 2，掃描弱探測光

5、頻率，掃描弱探測光頻率燒孔位置燒孔位置燒孔寬度燒孔寬度+ +：同向傳播：同向傳播- -：反向傳播：反向傳播同束激光分束從相反方向經(jīng)過介質(zhì)吸收，粒子數(shù)差為：同束激光分束從相反方向經(jīng)過介質(zhì)吸收，粒子數(shù)差為：二，二，Lamb 凹陷凹陷 （非均勻加寬線型）（非均勻加寬線型）吸收系數(shù)（吸收系數(shù)（Lamb Dip）：）：S 1, 駐波，駐波， = 0產(chǎn)生兩個產(chǎn)生兩個Bennet 孔孔BennetBennet hole holeLamb holeLamb hole均勻與非均勻加寬線型的比較均勻與非均勻加寬線型的比較均勻線型均勻線型非均勻線型：兩束光非均勻線型：兩束光頻率同時掃描頻率同時掃描非均勻線型：泵浦光

6、非均勻線型：泵浦光頻率固定，探測光頻頻率固定，探測光頻率掃描率掃描在強(qiáng)光泵條件下：在強(qiáng)光泵條件下：S增大增大Lamb dip加深加深Lamb dip增寬增寬第第7.3節(jié)節(jié) 飽和吸收光譜飽和吸收光譜（Lamb凹陷光譜）凹陷光譜）原理：原理：Doppler加寬躍遷的速度選擇飽和。加寬躍遷的速度選擇飽和。 Pump-Probe，調(diào)制扣背景，調(diào)制扣背景沒有沒有Doppler背景的背景的Lamb dip 峰峰實驗實驗1，只記錄探測光，則是有，只記錄探測光，則是有Doppler背景的背景的Lamb dipDoppler backgroundLamb dip實驗實驗2，通過，通過D3-D2，消除消除Dopp

7、ler背景背景交叉峰交叉峰 （Cross-Over）k1與與z方向相反方向相反a躍遷躍遷(a1)vkvkaaa10101.b躍遷躍遷(b1)vkvkbbb10101.K2與與z方向相反方向相反a躍遷躍遷(a2)vkvkaaa20202.b躍遷躍遷(b2)vkvkbbb20202.a1和和a2 結(jié)合、結(jié)合、 b1和和b2結(jié)合是前面的飽和吸收結(jié)合是前面的飽和吸收a1和和b2結(jié)合、結(jié)合、 a2和和b1結(jié)合是前面的飽和吸收結(jié)合是前面的飽和吸收21aa0v21bb0v21ba200abkv)(21kkk12ba200abkvl 兩個譜峰的中間值；兩個譜峰的中間值；l 同種原子交叉；同種原子交叉；當(dāng)共低能

8、級，交叉峰符號為負(fù)當(dāng)共低能級，交叉峰符號為負(fù)當(dāng)共高能級，交叉峰符號為正當(dāng)共高能級，交叉峰符號為正Cs原子各種同位素為例原子各種同位素為例飽和吸收譜用于穩(wěn)頻飽和吸收譜用于穩(wěn)頻輸出信號強(qiáng)度：輸出信號強(qiáng)度：相應(yīng)的微分信號相應(yīng)的微分信號飽和吸收信號的一階和三階微分信號都飽和吸收信號的一階和三階微分信號都可以用來穩(wěn)頻（無可以用來穩(wěn)頻（無Doppler背景，色散背景，色散信號可以用來反饋）信號可以用來反饋）利用一個激光器鎖定和移動另外一個激光器的頻率利用一個激光器鎖定和移動另外一個激光器的頻率SAS stabilizationmixtureRF referenceRF dcNegative feedbac

9、kLaser 1Laser 2 利用利用SAS將將laser 1頻率穩(wěn)定，將頻率穩(wěn)定，將laser 1和和laser 2重疊得到重疊得到frequency beat，此，此beat信號有快速探測器記錄，然后和信號有快速探測器記錄，然后和RF reference混合相減，其相減信號仍然是混合相減，其相減信號仍然是RF信號，此時利用信號，此時利用RFdc轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器得到直流信號，然后負(fù)反饋到換器得到直流信號，然后負(fù)反饋到laser 2就可以將其鎖定就可以將其鎖定。（改變。（改變RF reference 的頻率，可以將laser 2 鎖定在不同的頻率電）光的偏振：光的偏振： 傳播方向傳播方向k，迎著，迎

10、著k看偏振面左旋、右旋看偏振面左旋、右旋量子化軸：量子化軸： +z選擇定則：選擇定則： M = M M” = 0, 1 ( ， ，表示上態(tài)、表示上態(tài)、”標(biāo)志下標(biāo)志下態(tài)態(tài)) 磁場方向：磁場方向： B Zeeman效應(yīng)：效應(yīng)： 0BBM左旋、右旋，左旋、右旋， +、 - 與與 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，+ / - + / - 表示頻率的增加與減少，表示頻率的增加與減少，相對于相對于z z軸軸/B, /B,

11、不不是是k k參見：參見：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節(jié)節(jié) 偏振光譜偏振光譜第第7.4節(jié)節(jié) 偏振光譜偏振光譜原理：原理： 由于光泵效應(yīng)，偏振的泵浦光由于光泵效應(yīng)，偏振的泵浦光I2導(dǎo)致介質(zhì)的折射率和吸收系數(shù)發(fā)生導(dǎo)致介質(zhì)的折射率和吸收系數(shù)發(fā)生變化，從而影響線偏振的探測光變化，從而影

12、響線偏振的探測光I1的偏振狀態(tài)。的偏振狀態(tài)。I2I2I1與與Faraday效應(yīng)類似：效應(yīng)類似：Faraday效應(yīng)：效應(yīng)：磁場誘導(dǎo)偏振面旋轉(zhuǎn)磁場誘導(dǎo)偏振面旋轉(zhuǎn) 所有原子參與所有原子參與偏振光譜：偏振光譜： 光泵導(dǎo)致介質(zhì)各向異性光泵導(dǎo)致介質(zhì)各向異性 特定速度群原子特定速度群原子原理：原理： 在光泵過程中，由于躍遷選擇定則、每個躍遷的躍遷幾率不同，偏振的泵浦光在光泵過程中，由于躍遷選擇定則、每個躍遷的躍遷幾率不同，偏振的泵浦光I2導(dǎo)導(dǎo)致介質(zhì)致介質(zhì)J的各個磁子能級的各個磁子能級M最后的布局?jǐn)?shù)不同，也就導(dǎo)致角動量最后的布局?jǐn)?shù)不同，也就導(dǎo)致角動量J的取向各向異性。各向異性的取向各向異性。各向異性的介質(zhì)能使探測線偏振光發(fā)生偏振偏轉(zhuǎn)，類似磁場的介質(zhì)能使探測線偏振光發(fā)生偏振偏轉(zhuǎn)，類似磁場Faraday效應(yīng)，折射率和吸收系數(shù)發(fā)生變效應(yīng)，折射率和吸收系數(shù)發(fā)生變化化I2I2I1探測線偏振光可以分解為兩個圓偏振光探測線偏振光可