[发明专利]集合式拉曼增强原子蒸汽滤光信号方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及微弱光信号技术领域，更具体涉及一种集合式拉曼增强原子 蒸汽滤光信号的方法，同时还涉及集合式拉曼增强原子蒸汽滤光信号的装置， 具体适用于自由空间量子通信、大气激光通信和荧光型激光雷达等需要在强 的、宽频谱的背景光中提取微弱光信号。

背景技术

利用光子的偏振、相位或自旋态编码经典信息的量子通信在理论上具有 绝对安全性，其发展的趋势是实现长距离、高效率的信息传输。全球化的量 子通信可以通过地对星、星对星的通信实现。由于大气空间的背景光(日光、 月光或星光)相对携带信息的单个光子具有较高光强和宽频谱范围的特性。 因此，在大气空间背景条件探测携带信息的微弱光子信号，减少传递信息过 程中背景光噪声产生的误码，是技术上面临的一个挑战。

作为一种高效的光学滤光器件，原子滤光方法已经得到广泛的应用：例 如，大气环境中的经典激光通信、海洋温度的遥感测量、白天中间层大气特 性(温度、风速等)的荧光型激光雷达探测等领域。在量子通信里，使用nm 带宽量级的干涉滤光片，携带信息的光子信号会完全淹没在日光背景噪声中。 如何实现全天候自由空间量子通信、减少背景光噪声产生的误码率？～GHz量 级的原子滤光器提供了一个较好的选择，它可以在日光背景噪声下实现微弱 信号的窄带传输。

中国发明专利“使用原子滤光器的空间量子通信装置”[孙献平，李若虹， 罗军，詹明生.，专利号：ZL200310111370.4]和文献“Free-space quantum key distribution with Rb vapor filters”[Xin Shan，Xianping Sun，Jun Luo，Zheng Tan and Mingsheng Zhan.，Applied Physics Letter，89，191121(2006)]指出，对于自 由空间量子密码通信，实验演示表明：使用Rb原子滤光辅助探测方法能够 在大气空间的背景光(灯光、星光、月光和黄昏时日光)条件下对偏振编码 的单光子序列信号进行成功测量，对量子通信系统有了显著的改进。但是， 同时指出：当光学接收望远镜与太阳相对、且不使用微孔空间滤光和时间窗口 滤光方法时，使用现有原子滤光器的量子通信接收机探测到的背景光噪声仍 然会使误码率增加，因此影响到安全密钥的获取效率，无法实现全天候的使 用。

一个申请中的专利“喇曼光放大的原子滤波方法及装置”[单欣，孙献平， 罗军，詹明生，中国发明专利申请号：200810046862.2]和文献 “Ultranarrow-bandwidth atomic filter with Raman light amplification”[Xin Shan， Xianping Sun，Jun Luo and Mingsheng Zhan.，Optics Letters，3316(2008)，1842.] 建立了一种喇曼光放大的原子滤波方法和装置，该系统由一个喇曼光放大原 子蒸汽泡和一个原子色散滤光蒸汽泡组成，该滤光装置具有超窄带宽(几十 MHz)特性并且能够实现数十倍量级微弱信号的有效光放大，从而能够更加 有效地抑制背景光噪声，提高微弱信号探测的信噪比。但是，由于使用了两 个原子蒸汽泡的组合，这就需要装备两个独立的温度控制模块(用于调节、 控制和测量温度，使之工作在合适原子数密度)来分别匹配两个原子蒸汽泡 的工作参数，从而增加了装置的复杂程度。因此，建立一种全新的增强原子 蒸汽滤光信号方法与装置是迫切需要的。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种集合式拉曼增强原子蒸汽滤光信号的方 法。微弱信号光传输通过单个原子蒸汽泡，既需要满足原子受激拉曼(Raman) 增益条件，又必须满足原子蒸汽的法拉第(Faraday)反常色散条件，在大气 空间的背景光(日光、月光或星光)条件下，使用单个原子蒸汽泡极大地增 强微弱信号光的相对强度同时实现超窄带滤光通道。方法易行，操作方便、 且具有信号增强/滤光双重功效的特性。