空心光子晶体光纤中原子滤波机制的研究

本项目是在我们成功实验演示'使用原子滤波方法的自由空间量子通信'和演示'强耦合光 + 连续波信号'条件下喇曼放大原子滤波的基础上，针对在自由空间量子通信中抑制连续本底光噪声的目的,提出全新的空心光子晶体光纤中原子滤波方案，研究空心光子晶体光纤型原子色散滤波和喇曼放大原子滤波机制及相关物理。空心光子晶体光纤具有微米的纤芯孔径、信号光束高通和弯曲低损耗等特性，将蒸汽泡型原子色散滤波和我们发明的原子蒸汽喇曼放大滤波方法移植到使用空心光子晶体光纤的原子滤波方案里，它们将更具微型化、更易集成化和更加实用化。其用于自由空间量子通信中将进一步改进量子通信系统的滤波技术和整体性能，是解决在阳光直射等极端条件下本底光噪声可能产生的误码、影响安全密钥的获得、以及通信距离受限等问题的一个全新方法。

按照本项目的研究计划，完成了设置的任务。主要研究工作进展及结果如下：.1、研究了空心光子晶体光纤中氧谱，激光与光纤的耦合效率～20％；与泡中的氧信号相比，光子晶体光纤提高了光与氧的相互作用强度；测量了光子晶体光纤中氧吸收强度与氧压力的关系；氧磁共振信号在偏离角-2.5~+2.5度内明显增强，顺和逆时针方向偏离角的磁共振谱线不同，前者表现为透过增强，后者表现为吸收增强；使用反向偏振光泵浦导致光偏振面的旋转，效果弱于采用磁场的情况；设计了一种用于光纤原子滤波器的环状磁场；.2、实验研究了空心光纤中的Rb，获得Rb原子85Rb-A、-B和87Rb-a谱；.3、研究了一种消多普勒增宽的实验方法，通过增加一束控制光实现无交叉峰、共振峰信号增强，此方法可用于获得激发态能级间隔小的原子系统高分辨光谱和激光稳频；.4、本研究编制一个通用程序，实现了不同磁场强度（弱磁场、中间场、强场条件）下FADOF滤波的理论计算、模拟，成功作了0.75T混合峰、0.005～0.02T翼峰Rb-FADOF、0.18T中间峰Na-FADOF和0.07T中间峰K-FADOF的理论计算，与实验结果相一致；.5、实验采用“先光信号放大后原子滤波”的方法，有效地放大原子滤波信号几十倍、滤波线宽为～60－130 MHz，远窄于FADOF的～GHz带宽，并且具有单峰特性，通带频率可变；本研究成功演示了双泡系统与单泡系统两种喇曼光放大原子滤波方法，获得两项中国发明专利授权；.6、“Free-space quantum communication device using atomic filter”获得美国专利授权；此方法将原子滤波方法首次用于量子通信系统，有效地抑制了自由空间通信中背景光噪声；.7、本项目共计获得：授权美国专利1项，授权中国发明专利2项，申请中国发明专利4项，发表研究论文2篇（SCI）。. 本研究中遇到的问题及解决的方法：a）由于本项目使用的是未装耦合头的裸光纤（注：没有商业可购买的带耦合头的空心光子晶体光纤），激光入射光纤的耦合效率比较低仅仅～20％左右；加装耦合头会极大提高耦合效率；b）本项目使用的光子晶体光纤内孔经为6微米，而测量的DL-100激光器的频率扫描位移～5微米，因此会对获得实验造成一定的困难。如果使用VCSEL激光器，其是电流扫描方式，能够消除位移。