劉 陽，王 健，王海華，康智慧，王 磊，羅夢希，閆西章，王瀟瀟，高錦岳

（1.吉林大學(xué)物理學(xué)院，長春 130012；2.吉林大學(xué)學(xué)報編輯部，長春 130012）

窄帶Faraday反常色散光學(xué)濾波器

劉 陽1，王 健2，王海華1，康智慧1，王 磊1，羅夢希1，閆西章1，王瀟瀟1，高錦岳1

（1.吉林大學(xué)物理學(xué)院，長春 130012；2.吉林大學(xué)學(xué)報編輯部，長春 130012）

研究Faraday反常色散光學(xué)濾波器，給出其理論計算過程和模擬結(jié)果.結(jié)果表明，F(xiàn)araday反常色散光學(xué)濾波器有線翼和線芯透過兩種工作方式，其中線翼透過單峰譜線線寬約為600MHz，透過率約為25%，線芯透過譜線線寬約為700MHz，透過率約為100%.實驗結(jié)果與理論結(jié)果相符.

濾波器；反常色散；Faraday旋轉(zhuǎn)

圖1 Faraday反常色散光學(xué)濾波器原理Fig.1 Scheme of Faraday anomalous dispersion optical filter

由解穩(wěn)態(tài)下二能級光學(xué)Bloch方程可得二能級原子系統(tǒng)的極化率

其中：N0為原子蒸汽密度；μ為躍遷電偶極矩；γ為原子弛豫速率；Δ為失諧量.考慮原子速率分布

Faraday反常色散光學(xué)濾波器的透過率可表示為

其中：L為樣品池長度；α，Δα和φ分別為吸收系數(shù)、圓二向色性系數(shù)和旋轉(zhuǎn)角：

2 理論計算結(jié)果與分析

當(dāng)L＝5cm，γ＝6MHz，磁場強(qiáng)度B＝4.27A／m時，透過譜線隨溫度的變化關(guān)系如圖2所示.當(dāng)T＝308K時，濾波器的透過曲線如圖2（A）實線所示，呈單峰透過，透過線寬為1.1GHz，透過率為11%；當(dāng)T＝316K時，透過譜線如圖2（A）虛線所示，由于溫度升高使得原子數(shù)密度增大，因此原子對入射光的旋光能力和吸收均增強(qiáng)，共振吸收線附近的光被大量吸收，使得透過譜線中心位置附近出現(xiàn)一個凹陷；當(dāng)T＝322K時，透過譜線由單峰線芯透過變?yōu)殡p峰邊翼透過，如圖2（A）點線所示，單峰線寬為600MHz，透過率為25%；由圖2（B）可見，透過率隨溫度的升高逐漸增大，約為100%，且透過譜線由雙峰透過逐漸過渡到多峰透過，這是由于溫度升高，使得入射光的偏振面旋轉(zhuǎn)了φ＝π／2，3π／2，5π／2…所致.當(dāng)T＝322K時，透過光譜隨磁場強(qiáng)度的變化關(guān)系如圖3所示.

圖2 不同溫度下的透過譜線Fig.2 Transmission spectra variation at different temperatures

圖3 不同磁場下的透過譜線Fig.3 Transmission spectra variation in different magnetic fields

由圖3可見：當(dāng)磁場強(qiáng)度B＝4.27A／m時，雙峰邊翼透過，單峰線寬為600MHz，透過率為25%；當(dāng)B＝7.54A／m時，兩峰間強(qiáng)烈的吸收表現(xiàn)為透過；當(dāng)B＝9.42A／m時，透過譜線呈線芯透過，且有2個邊峰；當(dāng)B＝12.56A／m時，透過譜線的中心透過率約為100%，中心透過帶寬為700MHz.透過譜線呈中心透過是由于磁場較強(qiáng)，使左旋光和右旋光2個吸收峰分開，重疊部分較小，使得中心頻率處的原子對光吸收變?nèi)跛?

3 理論計算和實驗結(jié)果對比

選用銣原子作為樣品介質(zhì)，研究基于87RbD1線5s1／2F＝2→5p1／2F′＝1躍遷的795nm Faraday反常色散光學(xué)濾波器.銣原子D1的吸收譜如圖4所示.其中1，2，5，6峰為87Rb原子的吸收峰，3，4峰為85Rb的吸收峰.當(dāng)B＝4.27A／m時，第一個吸收峰在不同溫度下的透過譜線如圖5所示.由圖5可見，當(dāng)T＝340K時，頻率在－1 000～500MHz對應(yīng)第一個吸收，透過譜線呈單峰透過，與圖2（A）實線譜線對應(yīng)；當(dāng)T＝347K時，透射峰的中心位置出現(xiàn)凹陷，與圖2（A）虛線譜線對應(yīng).當(dāng)T＝353K時，實驗透過譜線由單峰變?yōu)閮蛇呉淼碾p峰透過，與圖2（A）點線譜線對應(yīng)；當(dāng)T＝360K時，兩邊峰間的距離變大，使得一個單峰可作為一個接收信號，而另一個側(cè)峰不會成為干擾信號，從而實現(xiàn)了濾波功能.實驗和理論結(jié)果中溫度存在差異主要是因為實驗所測溫度為樣品池外部加熱線圈的溫度，與池內(nèi)原子蒸汽的溫度存在一定的溫度差所致.

圖4 銣原子的吸收譜Fig.4 Probe laser absorption spectrum of Rb sample

圖5 不同溫度下的實驗透射譜Fig.5 Experimental transmission spectra variation at different temperatures

綜上，本文通過理論計算模擬了Faraday反常色散光學(xué)濾波器在不同溫度和不同磁場下的濾波透過譜線.結(jié)果表明：在弱磁場下，濾波器呈線翼透過，單峰線寬約為600MHz，透過率約為25%；在強(qiáng)磁場下，濾波器呈線芯透過，譜線寬度約為700MHz，透過率約為100%.實驗結(jié)果與理論計算相符.

［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］ H?ffner 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.

（責(zé)任編輯：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

A

1671－5489（2014）04－0797－05

在星潛通信系統(tǒng)中，由于通訊信號微弱，且存在高背景噪聲的干擾，因此光學(xué)濾波在星潛通信系統(tǒng)中作用較大.Faraday反常色散濾光器（FADOF）是一種具有超窄帶寬、高透過率、透射波長無漂移和可成像等特點的高性能光學(xué)濾波器，在自由空間密鑰分發(fā)（QED）［1－2］和雷達(dá)遙感［3－5］等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛.目前，研究人員已在Na［6］，K［7－9］，Rb［10－12］，Cs［13－14］，Ca［15］等金屬元素中對原子光學(xué)濾波器進(jìn)行了研究，本文在此基礎(chǔ)上研究Farady反常色散光學(xué)濾波器.

1 濾波原理及理論分析

10.13413／j.cnki.jdxblxb.2014.04.32

2013－08－26.

劉 陽（1988—），女，漢族，碩士研究生，從事量子光學(xué)的研究，E－mail：active001＠126.com.通信作者：王 ?。?971—），男，漢族，博士，副編審，從事量子光學(xué)的研究，E－mail：wang＿j＠jlu.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號：11074097；11204011；11374126）.