专利摘要

本发明公开了一种喇曼光放大的原子滤波方法及装置，该方法将喇曼光放大和原子色散滤波结合为一体，显著提高了滤波特性和探测灵敏度，可以用于自由空间量子通信和经典激光通信领域。实现本发明方法的装置由连续波半导体激光器、偏振分束器、λ/2波片、两个原子蒸汽泡、两个温度控制模块、两个格兰汤姆森棱镜、挡光板和光探测器组成。本发明通过耦合激光的作用在原子蒸汽里可以增强微弱信号光的相对强度超过十倍以上，将滤波工作带宽降低至MHz量级(比普通的干涉滤光片约窄4个数量级)，同时具有高抑制比(～105)和滤波工作波长可调节的特点。

权利要求

1、一种喇曼光放大的原子滤波方法，其步骤是：

(a)原子蒸汽泡对弱信号光进行喇曼放大，通过一束耦合激光作用到一个蒸汽泡中原子上，使得蒸汽泡内原子基态能级粒子集居数发生变化，预先设定工作温度和进行温度控制；

(b)另外一束弱信号光经过这个原子极化的蒸汽泡，折射率发生变化；

(c)耦合激光和弱信号光频率满足原子虚能级双光子共振条件时，弱信号光会被放大；

(d)被放大的信号光通过由另一个外加有磁场的原子蒸汽泡与两个格兰汤姆森棱镜组成的色散滤波装置，由于原子色散的特性，将强的、宽频谱背景光抑制，保持放大后信号光的相对强度不变；

(e)获得光相对强度被增强、线宽压窄的信号光，同时抑制了强的、宽频谱的背景光噪声。

2、一种喇曼光放大的原子滤波装置，它由连续波半导体激光器(2)、偏振分束器(3)、λ/2波片(4)、温度控制模块(6)和(11)、原子蒸汽泡(5)和(9)、格兰汤姆森棱镜(8)和(12)、挡光板(10)和光探测器(13)组成，其特征在于连续波半导体激光器(2)与耦合激光(7)相连，第一原子蒸汽泡(5)与第一温度控制模块(6)相连，第二原子蒸汽泡(9)与第二温度控制模块(11)相连。

3、根据权利要求2所述的一种喇曼光放大的原子滤波装置，其技术特征在于：第一原子蒸汽泡(5)与耦合激光(7)和入射的弱信号光(1)相连，耦合激光(7)依次通过偏振分束器(3)、λ/2波片(4)和第一原子蒸汽泡(5)，并与挡光板(10)相连，耦合激光(7)和弱信号光(1)的偏振方向相互垂直，以0.2°-3°角度在第一原子蒸汽泡(5)内相交并同向传播。

4、根据权利要求2所述的一种喇曼光放大的原子滤波装置，其特征在于：弱信号光(1)入射到第一原子蒸汽泡(5)，喇曼放大后出射并依次通过第一格兰汤姆森棱镜(8)、第二原子蒸汽泡(9)、第二格兰汤姆森棱镜(12)，最后入射到光探测器(13)上。

5、根据权利要求2所述的一种喇曼光放大的原子滤波装置，其特征在于：第一格兰汤姆森棱镜(8)、第二格兰汤姆森棱镜(12)、第二原子蒸汽泡(9)与弱信号光(1)的传播方向保持同轴，第一格兰汤姆森棱镜(8)、第二格兰汤姆森棱镜(12)的光轴方向相互垂直，其中第一格兰汤姆森棱镜(8)的光轴方向与弱信号光(1)的偏振方向保持一致。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种喇曼光放大的原子滤波方法，同时还涉及一种喇曼光放大的原子滤波装置，更涉及具体量子通信，激光雷达和经典激光通信等需要在强的、宽频谱的背景光中提取微弱光信号的领域。

背景技术：

量子信息学是量子力学与信息科学相结合的产物，由于量子特性在信息领域中有着独特的功能，在确保信息安全、增大信息容量、提高运算速度和提高检测精度等方面可以突破现有的经典信息系统的极限，目前其最重要的应用方向包括量子计算和量子通信。在量子信息学中信息的载体可以是单个的光子，利用光子的偏振、相位或自旋态来编码经典的信息。作为量子信息学中的一个重要分支，量子通信的发展趋势是实现长距离、高效率的信息传输。自由空间量子通信可以通过地对星、星对星的通信来实现全球化的量子通信。

在自由空间量子通信系统的接收装置里，通常需要将单个光子的信息从大气空间背景光噪声中提取出来。与携带信息的单个光子相比，大气空间的背景光(阳光、月光或星光)具有相对高光强的和宽频谱范围的特性。通常，这些背景形成光噪声会在传递信息过程中产生大的误码，因此，在很大程度上限制了自由空间量子通信的距离和量子密钥的传输率。在文献“单光子探测条件下Rb法拉第反常色散滤波器的研究”[李若虹，孙献平，罗军，曾锡之，詹明生，中国激光，31，967(2004)]”中指出，如果使用nm量级的干涉滤光片，携带信息的光子信号会完全淹没在日光背景噪声中。

基于原子蒸汽法拉第反常色散效应的原子滤光器，具有高透过率、超窄的工作带宽(GHz量级)、高抑制比、透射频率在一定范围内可调、大角度接收、响应速度快等特点。因此，它可以在一个较强的宽背景光噪声下选通弱的窄带信号。作为一种高效的滤波装置，原子滤光器具有非常广泛的应用。例如，海洋温度的遥感测量、白天中间层大气温度特性的激光雷达探测、大气中激光通信等经典通信领域。

对于自由空间量子通信，文献“Free-space quantum key distributionwith Rb vapor filters”[Xin Shan，Xianping Sun，Jun Luo，Zheng Tanand Mingsheng Zhan.，Applied Physics Letter，89，191121(2006)]中的实验已经表明使用现有的Rb原子滤光方法能够抑制大气空间的背景光(灯光、星光、月光和黄昏时阳光)，然后使用单光子探测器对选通的偏振编码单光子信号进行测量，成功地演示了自由空间量子密码通信。尽管如此，该文献也表明在量子通信的某些极限条件下，例如，在直射太阳光的背景条件，当光学接收望远镜视场角大于150μrad、且不使用微孔空间滤波和时间滤波方法时，使用现有原子滤光器的量子通信实验演示系统的接收装置探测到的背景光噪声仍然可能使误码率增加，因此，可能影响到安全密钥的获得、以及全天候的使用。

发明内容：

本发明的目的是在于提供了一种喇曼光放大的原子滤波方法，即：将喇曼光放大和原子色散滤波两者结合起来。在通信系统的接收装置里，利用一束耦合激光与原子蒸汽相互作用，将来自发射装置的微弱信号光进行喇曼放大，并利用原子蒸汽色散特性选择性的抑制背景光噪声而让微弱信号光无损通过。在放大微弱信号光的同时压窄滤波透过峰线宽，并保持高抑制比。

本发明的另一个目的是在于提供了一种实现喇曼光放大的原子滤波方法的装置，该装置主要由两个部分组成，(A)由一台连续波半导体激光器发射耦合激光和一个原子蒸汽泡对微弱信号光进行喇曼放大；(B)使用两个格兰汤姆森棱镜和一个外加磁场的原子蒸汽泡，无损地选通放大后的信号光并将其波长以外的光作为本底噪声进行抑制。本发明装置获得最终的滤波透过峰相对强度可以超过原始信号光十倍以上，且线宽最大半高宽压窄至MHz量级，同时具有滤波工作波长可调、高的滤波透过率和～10⁵的抑制比。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术措施：

本发明提供了一种喇曼(Raman)光放大的原子滤波方法及装置，利用这种方法和装置，可以降低通信过程中由背景光噪声引起的误码率，解决上面提到的影响安全密钥获得的问题。相比于现有的原子滤波方法，本发明具有更优越的滤波特性，不但可以用于经典激光通信，激光雷达等领域中，也具有能够在自由空间量子通信系统中直接使用的独特性。与现有的原子滤光器相比，基于本发明方法的装置可以有效地增加微弱信号光的相对强度并压窄滤波工作带宽，能够进一步减小强的、宽频谱背景光(星光、月光或者阳光)对微弱信号光探测的影响，因此，提高了量子通信系统的接收效率，增加了安全密钥的传输率，同时增大通信传输距离，并且使得全天候工作成为可能。

在经典激光通信系统里，喇曼过程多用于光纤喇曼放大器中，利用传输光纤本身作为增益介质，并通过耦合激光实现对光纤窗口内任一波长信号光的放大。因此，可以提高系统容量，拓展频率利用率和提高系统传输速率，增加无中继传输距离，补偿色散补偿光纤的损耗。与此不同的是，本发明所提出的喇曼光放大的原子滤波方法，是集合利用了原子蒸汽喇曼光放大和色散滤波两个特性。使用一束耦合激光作用到碱金属原子(本发明涉及K，Rb，Cs)蒸汽上，原子的两个基态能级上粒子数发生变化，因而，原子在弱信号光频率处的极化率发生变化，并引起弱信号光的折射率变化，最后获得弱信号光相对强度的极大增强。本发明在增加微弱信号光相对强度、压窄滤波线宽的同时，对高的、宽频谱背景光(星光、月光或者阳光)进行抑制。

本发明采用了集合原子蒸汽喇曼放大和色散滤光两个特性的喇曼光放大的原子滤波方法，其步骤是：

(a)原子蒸汽泡对微弱信号光进行喇曼放大，通过一束耦合激光作用到一个蒸汽泡中原子上，使得蒸汽泡内原子能级粒子集居数发生变化(通常称为原子极化)，预先设定工作温度和进行温度控制。

(b)当另外一束微弱信号光经过这个原子极化的蒸汽泡时，其折射率发生变化。

(c)如果耦合激光和弱信号光频率满足原子虚能级双光子共振条件，微弱信号光会被放大(即：通常称为喇曼放大)。

(d)随后，被放大的信号光通过由另一个外加有磁场的原子蒸汽泡与两个格兰汤姆森棱镜组成的色散滤波装置，由于原子色散的特性，将强的、宽频谱背景光抑制，而保持放大后信号光的相对强度基本不变。

(e)最终获得相对强度被增强、线宽压窄的信号光，同时抑制了强的、宽频谱的背景光噪声。

为了实现上述滤波的方法，本发明采用了一种喇曼光放大的原子滤波装置，其采用的技术方案如下：

(A)喇曼光放大的原子滤波装置由一台连续波半导体激光器、一个λ/2波片、一个偏振分束器、两个格兰汤姆森棱镜、两个原子蒸汽泡(其中一个泡外面加有磁场)、两个温度控制模块、一个挡光板和一个光探测器组成，连续波半导体激光器与耦合激光相连，第一个原子蒸汽泡与第一个温度控制模块相连，第二个原子蒸汽泡与第二个温度控制模块相连；第一个原子蒸汽泡与耦合激光和入射的弱信号光相连，耦合激光依次通过偏振分束器、λ/2波片和第一个原子蒸汽泡，并与挡光板相连，耦合激光和弱信号光的偏振方向相互垂直，并在第一个原子蒸汽泡内相交于一定的小角度同向传播；弱信号光入射并通过第一个原子蒸汽泡，随后依次通过第一个格兰汤姆森棱镜、第二个原子蒸汽泡、第二个格兰汤姆森棱镜，并入射到光探测器上；两个格兰汤姆森棱镜、第二个原子蒸汽泡与信号光的传播方向保持同轴，两个格兰汤姆森棱镜的光轴方向相互垂直，其中第一个格兰汤姆森棱镜的光轴方向与信号光的偏振方向保持一致。

(B)由连续波半导体激光器产生耦合激光(功率范围是从50mW到500mW)，在该光路上，耦合激光依次通过偏振分束器、λ/2波片、第一个原子蒸汽泡，最后被挡光板遮挡。

(C)入射的微弱信号光(功率范围从光子计数水平信号到mW量级)首先入射到第一个原子蒸汽泡(原子数密度由第一个温度控制模块调节)，并与耦合激光相交于原子蒸汽的作用区域内，同时需保持一定的角度(角度范围为：0.2°-3°)，以避免耦合激光影响弱信号光的接收。

(D)在耦合激光的作用下，样品泡内原子的极化率会发生变化，从而引起弱信号光的折射率变化。

(E)当耦合激光的频率和强度满足喇曼放大条件时，能够对通过原子蒸汽的弱信号光进行放大。放大后的信号光线宽最大半高宽达到接近于原子谱线的二级多普勒(sub-Doppler)增宽(MHz量级)，其相对强度可以超过原始弱信号光的十倍以上。

(F)从第一个原子蒸汽泡出射的喇曼放大后的信号光，再经过一个由两个格兰汤姆森棱镜和第二个原子蒸汽泡(泡外加有磁场，原子数密度由第二个温度控制模块调节)组成的原子色散滤波装置，将强的、宽频谱范围的背景光抑制，同时最终的滤光信号基本保持了放大的信号光的相对强度不变。各个器件的中心均应保持与入射信号光的光路同轴，同时，这两个格兰汤姆森棱镜的光轴方向相互垂直。滤光后的信号光由光子计数器或者光探测器进行接收。

本发明装置具有以下优点：

(1)弱信号光的放大倍数由耦合激光的强度等因数决定，调节耦合激光强度可以获得弱信号光的相对强度超过十倍以上的放大倍数，从而提高检测的灵敏度。

(2)弱信号光和耦合激光功率的适用范围较大，弱信号光可以从光子计数水平信号到mW量级；而耦合激光功率范围是从50mW到500mW，取决于实际使用时对探测弱信号光所需的放大倍数。

(3)由于喇曼光放大与原子的跃迁谱线有关，放大后的信号光带宽的最大半宽度和最终获得的滤波透过峰的线宽接近原子跃迁谱线二级多普勒线增宽(典型地为MHz量级)。相比于现有原子滤光器GHz量级的工作带宽约窄1个量级，比常用～nm干涉滤光片的工作带宽约窄4个数量级。

(4)如果适当调节耦合激光的频率，放大的信号光频率也会随之发生改变，从而实现最终放大的滤波信号光频率精确可调节的目的，调谐范围为GHz量级。

(5)与现有原子滤光器相比，本发明中包含的原子色散滤波特性也保持了对强的、宽频谱光噪声的高抑制比(～10⁵)。

因此，本发明提供的喇曼光放大的原子滤波方法和装置能更好地用于接收强的、宽频谱背景光(星光、月光或者阳光)下的微弱光信号，极大提高信号探测灵敏度，在量子通信或者经典激光通信领域都具有广泛的应用前景。特别地，在量子通信通信系统中能够直接使用，有效减少由背景光噪声引起的通信误码率，降低3-4个数量级，增加通信的距离和效率，并且使其全天候正常工作成为可能。

附图说明：

图1为一种喇曼光放大的原子滤波装置的结构示意图。

其中：2为连续波半导体激光器、3为偏振分束器、4为λ/2波片、5和9为原子蒸汽泡(其中第二个蒸汽泡9外加有磁场)、6和11为温度控制模块、8和12为格兰汤姆森棱镜、10为挡光板、13为光探测器。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明一种喇曼光放大的原子滤波方法作详细说明。

本发明方法中，第一原子蒸汽泡5对弱信号光1进行喇曼放大。温度控制模块6与原子蒸汽泡5连接，预先设定工作温度(范围：45℃-180℃，任意一个温度点均能工作)并进行温度控制(控温精度：±0.1℃)。耦合激光7由连续波半导体激光器2发射，并依次通过偏振分束器3(消光比为1000∶1)和λ/2波片4，随后与弱信号光1在原子蒸汽泡5内相交。耦合激光7和弱信号光1在进入原子蒸汽泡5之前，它们的偏振方向相互垂直以满足喇曼放大的要求。在耦合激光7作用下，将蒸汽泡里原子极化，弱信号光1经过原子蒸汽泡5后会被放大。

放大后的信号光1随后进入由两个格兰汤姆森棱镜(消光比可达10⁵)8和12及第二原子蒸汽泡9组成的色散滤波装置。第二原子蒸汽泡9外有一个恒定磁场(磁场方向与入射信号光1的传播方向相同)，并由相连的第二温度控制模块11预先设定工作温度(范围：45℃-180℃)和进行温度控制(控温精度：±0.1℃)，以保证工作原子的数密度。第一格兰汤姆森棱镜8和第二格兰汤姆森棱镜12的光轴方向相互垂直，且第一格兰汤姆森棱镜8的光轴与入射的弱信号光1的偏振方向一致。由于磁场的存在，第二原子蒸汽泡9内原子色散的特性使得入射弱信号光1的偏振方向在不同频率处会旋转不同角度，因此可以将入射弱信号光1中强的、宽频谱的背景光抑制，只有放大后的弱信号光1能够从第二格兰汤姆森棱镜12出射且相对强度基本不变。最终滤光后的弱信号光1由光探测器13接收并进行光电转换。至此，本发明方法达到了弱信号光的喇曼放大、滤光信号的带宽压窄和背景光噪声高度抑制的目的。

根据上述本发明方法，并以使用Rb原子蒸汽为例，对本发明所提供的喇曼光放大的原子滤波装置作进一步的详细描述。

本发明装置由连续波半导体激光器2、偏振分束器3、λ/2波片4、第一温度控制模块6和第二温度控制模块11、第一原子蒸汽泡5和第二原子蒸汽泡9、第一格兰汤姆森棱镜8和第二格兰汤姆森棱镜12、挡光板10和光探测器13组成，连续波半导体激光器2与耦合激光7相连，第一原子蒸汽泡5与第一温度控制模块6相连，第二原子蒸汽泡9与第二温度控制模块11相连，第一原子蒸汽泡5与耦合激光7和入射的弱信号光1相连，耦合激光7依次通过偏振分束器3、λ/2波片4和第一原子蒸汽泡5，并与挡光板10相连，耦合激光7和弱信号光1的偏振方向相互垂直，并在第一原子蒸汽泡5内相交于一定的小角度(角度范围为：0.2°-3°，在此角度范围任何一点均能工作)同向传播，弱信号光1入射并通过第一原子蒸汽泡5，随后依次通过第一格兰汤姆森棱镜8、第二原子蒸汽泡9、第二格兰汤姆森棱镜12，最后入射到光探测器13上，第一格兰汤姆森棱镜8和第二格兰汤姆森棱镜12、第二原子蒸汽泡9与弱信号光1的传播方向保持同轴，第一格兰汤姆森棱镜8、第二格兰汤姆森棱镜12的光轴方向相互垂直，其中第一格兰汤姆森棱镜8的光轴方向与弱信号光1的偏振方向保持一致。

连续波半导体激光器2采用的是TOPTICA公司的TA-100激光器，输出功率可调(最高可达500mW)，输出的线性偏振激光带宽典型值为MHz，波长调谐在Rb原子共振谱线780nm附近，用来提供耦合激光7。

偏振分束器3为COHERENT公司生产的窄带偏振分束器，消光比为1000∶1，透光面镀有780nm增透膜。

λ/2波片4的波长为780nm，耦合激光7从λ/2波片4中心垂直通过，调节λ/2波片4的光轴与耦合激光7偏振方向的夹角，可以改变入射到第一个原子蒸汽泡5内的耦合激光7的偏振方向。

第一原子蒸汽泡5为圆柱形玻璃泡，泡长范围为5mm-200mm，直径范围为5mm-50mm，泡的两个端面必须保持完全平行，泡内充有碱金属Rb原子蒸汽。

第二原子蒸汽泡9，与第一原子蒸汽泡5外形、材料和尺寸基本一样，不同的是，泡外加有永磁体，其产生与弱信号光1传播方向平行磁场(磁场强度范围为0.01Tesla-0.35Tesla)。

第一温度控制模块6、第二温度控制模块11为圣亚自动化仪表公司生产的温度控制仪，其型号都为DB-1-111，分别与第一原子蒸汽泡5、第二原子蒸汽泡9相连，可预先将工作温度设定好(例如，在本发明装置中设定的温度范围为：45℃-180℃)，用来控制相应第一原子蒸汽泡5、第二原子蒸汽泡9内工作原子的数密度。

第一格兰汤姆森棱镜8、第二格兰汤姆森棱镜12均使用COHERENT公司的产品(编号为43-6899)，其消光比为10⁵，透光面镀780nm增透膜，弱信号光1须从第一格兰汤姆森棱镜8、第二格兰汤姆森棱镜12的中心垂直通过。

挡光板10为表面涂黑金属平板，用于遮挡从第一原子蒸汽泡5出射的耦合激光7。

光探测器13是根据弱信号光的不同强度需要，选择使用单光子计数模块(EG&G公司的SPCM-AQ系列)或者光电二极管(HAMAMATSU公司的S5821)。

本发明喇曼光放大的原子滤波装置中的连接详细描述如下：

由连续波半导体激光器2、偏振分束器3、λ/2波片4、第一原子蒸汽泡5和第二原子蒸汽泡9(其中第二原子蒸汽泡9外加有磁场)、第一温度控制模块6和第二温度控制模块11、第一格兰汤姆森棱镜8和第二格兰汤姆森棱镜12、挡光板10和光探测器13组成。耦合激光7由连续波半导体激光器2发射，然后，依次通过偏振分束器3、λ/2波片4和第一原子蒸汽泡5，并由挡光板10遮挡。入射的弱信号光1首先进入第一原子蒸汽泡5，喇曼放大后出射并依次通过第一格兰汤姆森棱镜8、第二原子蒸汽泡9、第二格兰汤姆森棱镜12，最后入射到光探测器13上。耦合激光7和弱信号光1的偏振方向相互垂直，以一定的小角度在第一原子蒸汽泡5内相交并同向传输。第一温度控制模块6与第一原子蒸汽泡5相连，调节泡内的原子数密度；第二温度控制模块11与第二原子蒸汽泡9相连，控制第二原子蒸汽泡9内温度，以保证第二原子蒸汽泡9内的工作原子的数密度。

本发明喇曼光放大的原子滤波装置的工作流程为：

耦合激光7由连续波半导体激光器2产生，偏振分束器3和λ/2波片4联合用于调节耦合激光7的偏振方向与弱信号光1的偏振方向垂直，保证了喇曼光放大的基本条件。两个偏振方向相互垂直的耦合激光7和弱信号光1以一定角度入射进第一原子蒸汽泡5的作用区域内并相交且沿同方向传播，相互作用后其传播方向均保持不变。耦合激光7和弱信号光1之间的入射角度以增加两者作用的区域且不影响弱信号光1的接收而确定。第一蒸汽泡5的温度由第一温度控制模块6调节。

第一格兰汤姆森棱镜8和第二格兰汤姆森棱镜12的光轴相互垂直，它们与第二原子蒸汽泡9和第二温度控制模块11共同组成一个原子色散滤波装置。第一格兰汤姆森棱镜8的光轴方向必须与弱信号光1的偏振方向一致，而与耦合激光7的偏振方向垂直。所以，在通过第一原子蒸汽泡5后，只有放大后的弱信号光1可以进入第二原子蒸汽泡9。在第二原子蒸汽泡9中，由于原子蒸汽的色散特性，强的、宽频谱范围的背景光噪声被抑制，同时，对放大的信号光传输不产生影响。使用光探测器13接收最终滤光的弱信号光1，并转换为电信号后输出。

上述描述中均以Rb原子喇曼光放大的原子滤波装置为例，在实际应用中，本发明涉及的碱金属(也包括K和Cs)原子蒸汽，在具体实施中应分别选择相应原子跃迁波长的激光器、镀模的光学器件、合适温度控制工作点和磁场的强度。

喇曼光放大的原子滤波方法及装置专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。