窄带Faraday反常色散光学滤波器

2014-09-12王海华康智慧罗梦希闫西章王潇潇高锦岳

吉林大学学报（理学版） 2014年4期

关键词：单峰线宽双峰

刘阳，王健，王海华，康智慧，王磊，罗梦希，闫西章，王潇潇，高锦岳

（1.吉林大学物理学院，长春 130012；2.吉林大学学报编辑部，长春 130012）

窄带Faraday反常色散光学滤波器

刘阳1，王健2，王海华1，康智慧1，王磊1，罗梦希1，闫西章1，王潇潇1，高锦岳1

（1.吉林大学物理学院，长春 130012；2.吉林大学学报编辑部，长春 130012）

研究Faraday反常色散光学滤波器，给出其理论计算过程和模拟结果.结果表明，Faraday反常色散光学滤波器有线翼和线芯透过两种工作方式，其中线翼透过单峰谱线线宽约为600MHz，透过率约为25%，线芯透过谱线线宽约为700MHz，透过率约为100%.实验结果与理论结果相符.

滤波器；反常色散；Faraday旋转

图1 Faraday反常色散光学滤波器原理Fig.1 Scheme of Faraday anomalous dispersion optical filter

由解稳态下二能级光学Bloch方程可得二能级原子系统的极化率

其中：N0为原子蒸汽密度；μ为跃迁电偶极矩；γ为原子弛豫速率；Δ为失谐量.考虑原子速率分布

Faraday反常色散光学滤波器的透过率可表示为

其中：L为样品池长度；α，Δα和φ分别为吸收系数、圆二向色性系数和旋转角：

2 理论计算结果与分析

当L＝5cm，γ＝6MHz，磁场强度B＝4.27A／m时，透过谱线随温度的变化关系如图2所示.当T＝308K时，滤波器的透过曲线如图2（A）实线所示，呈单峰透过，透过线宽为1.1GHz，透过率为11%；当T＝316K时，透过谱线如图2（A）虚线所示，由于温度升高使得原子数密度增大，因此原子对入射光的旋光能力和吸收均增强，共振吸收线附近的光被大量吸收，使得透过谱线中心位置附近出现一个凹陷；当T＝322K时，透过谱线由单峰线芯透过变为双峰边翼透过，如图2（A）点线所示，单峰线宽为600MHz，透过率为25%；由图2（B）可见，透过率随温度的升高逐渐增大，约为100%，且透过谱线由双峰透过逐渐过渡到多峰透过，这是由于温度升高，使得入射光的偏振面旋转了φ＝π／2，3π／2，5π／2…所致.当T＝322K时，透过光谱随磁场强度的变化关系如图3所示.

图2 不同温度下的透过谱线Fig.2 Transmission spectra variation at different temperatures

图3 不同磁场下的透过谱线Fig.3 Transmission spectra variation in different magnetic fields

由图3可见：当磁场强度B＝4.27A／m时，双峰边翼透过，单峰线宽为600MHz，透过率为25%；当B＝7.54A／m时，两峰间强烈的吸收表现为透过；当B＝9.42A／m时，透过谱线呈线芯透过，且有2个边峰；当B＝12.56A／m时，透过谱线的中心透过率约为100%，中心透过带宽为700MHz.透过谱线呈中心透过是由于磁场较强，使左旋光和右旋光2个吸收峰分开，重叠部分较小，使得中心频率处的原子对光吸收变弱所致.

3 理论计算和实验结果对比

选用铷原子作为样品介质，研究基于87RbD1线5s1／2F＝2→5p1／2F′＝1跃迁的795nm Faraday反常色散光学滤波器.铷原子D1的吸收谱如图4所示.其中1，2，5，6峰为87Rb原子的吸收峰，3，4峰为85Rb的吸收峰.当B＝4.27A／m时，第一个吸收峰在不同温度下的透过谱线如图5所示.由图5可见，当T＝340K时，频率在－1 000～500MHz对应第一个吸收，透过谱线呈单峰透过，与图2（A）实线谱线对应；当T＝347K时，透射峰的中心位置出现凹陷，与图2（A）虚线谱线对应.当T＝353K时，实验透过谱线由单峰变为两边翼的双峰透过，与图2（A）点线谱线对应；当T＝360K时，两边峰间的距离变大，使得一个单峰可作为一个接收信号，而另一个侧峰不会成为干扰信号，从而实现了滤波功能.实验和理论结果中温度存在差异主要是因为实验所测温度为样品池外部加热线圈的温度，与池内原子蒸汽的温度存在一定的温度差所致.

图4 铷原子的吸收谱Fig.4 Probe laser absorption spectrum of Rb sample

图5 不同温度下的实验透射谱Fig.5 Experimental transmission spectra variation at different temperatures

综上，本文通过理论计算模拟了Faraday反常色散光学滤波器在不同温度和不同磁场下的滤波透过谱线.结果表明：在弱磁场下，滤波器呈线翼透过，单峰线宽约为600MHz，透过率约为25%；在强磁场下，滤波器呈线芯透过，谱线宽度约为700MHz，透过率约为100%.实验结果与理论计算相符.

［1］ SHAN Xin，SUN Xianping，LUO Jun，et al.Free－Space Quantum Key Distribution with Rb Vapor Filters［J］.Appl Phys Lett，2006，89（19）：191121－191123.

［2］ Buttler W T，Hughes R J，Kwiat P G，et al.Practical Free－Space Quantum Key Distribution over 1km［J］.Phys Rev Lett，1998，81（15）：3283－3286.

［3］ Menders J，Searcy P，Roff K，et al.Blue Cesium Faraday and Voigt Magneto－Optic Atomic Line Filters［J］.Opt Lett，1992，17（19）：1388－1390.

［4］ Dick D J，Shay T M.Ultrahigh－Noise Rejection Optical Filter［J］.Opt Lett，1991，16（11）：867－869.

［5］ Höffner J，Begemann C F.Accurate Lidar Temperatures with Narrowband Filters［J］.Opt Lett，2005，30（8）：890－892.

［6］ Chen H，She C Y，Searcy P，et al.Sodium－Vapor Dispersive Faraday Filter［J］.Opt Lett，1993，18（12）：1019－1021.

［7］ Yin B，Shay T M.A Potassium Faraday Anomalous Dispersion Optical Filter［J］.Opt Commun，1992，94（1／2／3）：30－32.

［8］ Billmers R I，Gayen S K，Squicciarini M F，et al.Experimental Demonstration of an Excited－State Faraday Filter Operating at 532nm［J］.Opt Lett，1995，20（1）：106－108.

［9］ Peng Y F.Transmission Characteristic of an Excited State Faraday Optical Filter at 532nm［J］.Journal of Physics B：Atomic，Molecular and Optical Physics，1997，30（22）：5123－5129.

［10］ Zielińska J A，Beduini F A，Godbout N，et al.Ultranarrow Faraday Rotation Filter at the Rb D1Line［J］.Opt Lett，2012，37（4）：524－526.

［11］ Xue X B，Tao Z M，Sun Q Q，et al.Faraday Anomalous Dispersion Optical Filter with a Single Transmission Peak Using a Buffer－Gas－Filled Rubidium Cell［J］.Opt Lett，2012，37（12）：2274－2276.

［12］ Sun Q Q，Zhuang W，Liu Z W，et al.Electrodeless－Discharge－Vapor－Lamp－Based Faraday Anomalous－Dispersion Optical Filter［J］.Opt Lett，2011，36（23）：4611－4613.

［13］ Menders J，Benson K，Bloom S H，et al.Ultranarrow Line Filtering Using a Cs Faraday Filter at 852nm［J］.Opt Lett，1991，16（11）：846－848.

［14］ Wang Y F，Zhang S N，Wang D Y，et al.Nonlinear Optical Filter with Ultranarrow Bandwidth Approaching the Natural Linewidth［J］.Opt Lett，2012，37（19）：4059－4061.

［15］ Chan Y C，Gelbwachs J A.A Fraunhofer－Wavelength Magnetooptic Atomic Filter at 422.7nm［J］.IEEE J Quantum Electron，1993，29（8）：2379－2384.

（责任编辑：王健）

Narrow Bandwidth Faraday Anomalous Dispersion Optical Filter

LIU Yang1，WANG Jian2，WANG Haihua1，KANG Zhihui1，WANG Lei1，LUO Mengxi1，YAN Xizhang1，WANG Xiaoxiao1，GAO Jinyue1
（1.College of Physics，Jilin University，Changchun130012，China；2.Editorial Department of Journal of Jilin University，Changchun130012，China）

To obtain the weak signal light from the high background light，a narrow bandwidth Faraday anomalous dispersion optical filter（FADOF）was studied.The theoretical model for the filter was reported.The Faraday anomalous dispersion optical filters have two working modes：two side peak transmission and center peak transmission.The former work mode can get single peak transmission of 25%with a bandwidth of about 600MHz.The other work mode can get a spectra with a transmission rate of almost 100%and a bandwith of about 700MHz.The experimental measurements are consistent with theoretical results.

filter；anomalous dispersion；Faradayrotation

O431

1671－5489（2014）04－0797－05

在星潜通信系统中，由于通讯信号微弱，且存在高背景噪声的干扰，因此光学滤波在星潜通信系统中作用较大.Faraday反常色散滤光器（FADOF）是一种具有超窄带宽、高透过率、透射波长无漂移和可成像等特点的高性能光学滤波器，在自由空间密钥分发（QED）［1－2］和雷达遥感［3－5］等领域应用广泛.目前，研究人员已在Na［6］，K［7－9］，Rb［10－12］，Cs［13－14］，Ca［15］等金属元素中对原子光学滤波器进行了研究，本文在此基础上研究Farady反常色散光学滤波器.

1 滤波原理及理论分析