铷蒸气中基于共振四波混频的绿光至蓝光转换：一种用于激光雷达的窄线宽可调谐带通滤波器

《Optics & Laser Technology》：Green to blue light conversion through resonant four wave mixing in rubidium vapor

本研究针对激光雷达等遥感应用中如何从强背景噪声中分离微弱信号这一难题，提出并实验验证了一种基于铷蒸气中共振四波混频（FWM）的原子共振滤波器（ARF）。该技术成功将532 nm的相干及非相干绿光上转换为420 nm的准直蓝光，实现了对空间非相干图像的上转换，并系统表征了其作为窄带通滤波器（<1 GHz）的性能。该研究为开发高信噪比、窄线宽的光学滤波器提供了新思路，在远程传感和成像领域具有重要应用前景。

　　

在激光雷达（Lidar）和大气遥感等应用中，如何从强烈的背景光（如太阳辐射）中有效分离出微弱的信号光，是一个长期存在的技术难题。传统的带通滤波器虽然结构简单，但其带宽通常较宽，难以实现亚GHz级别的精细光谱分辨。为了突破这一瓶颈，研究人员将目光投向了原子共振滤波器（Atomic Resonance Filter, ARF）。这类滤波器利用原子能级跃迁的固有窄线宽特性，理论上可以实现极高的光谱选择性。然而，如何将这一原理应用于实际系统，特别是如何高效地处理空间非相干光信号，仍是一个挑战。

近日，发表在《Optics》上的一项研究，由Robert Randolph、Eric Finberg和Richard Miles共同完成，提出并实验验证了一种基于铷（Rb）蒸气中共振四波混频（Four-Wave Mixing, FWM）的绿光至蓝光上转换方案。该方案不仅成功地将532 nm的相干绿光转换为420 nm的准直蓝光，更令人振奋的是，它还能将空间非相干光（如从固体表面散射的绿光图像）进行上转换，并保留了原始图像的结构信息。这一成果为实现高信噪比、窄线宽的原子共振滤波器迈出了关键一步。

为了开展这项研究，研究人员搭建了一套精密的实验系统。该系统利用三束独立的连续波（CW）激光器，分别产生795 nm、532 nm和1320 nm的泵浦光。这些光束经过偏振控制和准直后，共线地聚焦到一个加热的铷蒸气池中。通过精确调节各束光的频率（失谐量）、功率、偏振态以及铷池的温度，研究人员在池内诱导了四波混频过程，从而产生了一束与泵浦光共线传播的、准直的420 nm蓝光信号。该信号随后被一个棱镜和带通滤光片从泵浦光中分离出来，并由光电倍增管（PMT）和相机进行探测和成像。为了验证该技术对非相干光的处理能力，研究人员还设计了一个散射光路，将532 nm激光照射到印有字母的卡片上，收集其散射光并注入铷池进行上转换。

3.1. 频率失谐

研究人员首先系统性地研究了泵浦光频率失谐对420 nm蓝光信号强度的影响。结果表明，当795 nm和532 nm泵浦光的失谐量呈反比变化，或795 nm和1320 nm泵浦光的失谐量呈正比变化时，蓝光信号依然存在，这符合四波混频过程中的能量守恒和相位匹配条件。值得注意的是，最强的蓝光信号出现在泵浦光略微偏离原子共振线（失谐量分别为0.3 GHz和2.5 GHz）的位置，这表明三光子相干性在该过程中起到了主要作用。此外，由于铷原子基态的超精细能级分裂，蓝光信号强度在多个失谐点处出现局部峰值，其相对强度取决于所有三束泵浦光的失谐量。

3.2. 偏振

偏振态对蓝光信号的产生效率有显著影响。研究发现，当三束泵浦光均为圆偏振光时，产生的蓝光信号强度通常比线偏振光高2-3倍。这归因于圆偏振光能够将原子布居到更少的、具有更高跃迁几率的塞曼子能级上。然而，在某些特定的泵浦失谐条件下，线偏振光也能产生更强的信号，这取决于特定超精细能级上可接近的塞曼子能级的相对跃迁强度。

3.3. 温度变化

铷池的温度是影响蓝光信号强度的关键参数。实验发现，当温度从100°C升高到135-140°C时，蓝光信号强度逐渐增加，这主要归因于铷原子密度增加导致的光学密度增大。然而，当温度进一步升高至150°C时，信号强度急剧下降，这主要是由于蓝光信号在池内被重新吸收所致。此外，在高温下，由于热展宽和碰撞展宽效应，蓝光信号在795 nm失谐轴上的宽度也随之增加。

3.4. 泵浦强度变化

蓝光信号的强度随着795 nm和532 nm泵浦光功率的增加而持续增强，这表明在实验测量的功率范围内，系统尚未达到饱和。在低泵浦功率下，信号强度与泵浦功率的比值并非线性，表明其转换效率在低功率下存在非线性行为。此外，即使在没有532 nm信号光的情况下，仅靠795 nm泵浦光也能在高温下产生微弱的420 nm信号，这被归因于能量合并（Energy Pooling）效应。

4. 图像上转换

为了验证该技术对空间非相干光的处理能力，研究人员将532 nm激光照射到印有字母的卡片上，收集其散射光并注入铷池。实验成功地将“M”、“A”、“s”、“a”等字母的绿色图像上转换为了蓝色图像。通过计算结构相似性指数（SSIM）和Tenengrad聚焦测度，研究人员评估了上转换图像的质量。结果显示，上转换图像与原始图像保持了较高的相似性（SSIM在0.7459至0.8293之间），但图像清晰度有所下降（Tenengrad值下降了40-80%），这主要归因于铷原子在池内的扩散运动。

5. 能量合并

除了四波混频过程外，研究还观察到了另一种产生420 nm蓝光的机制——能量合并。该过程不依赖于532 nm信号光，而是由两个被795 nm泵浦光激发到5P_1/2态的原子通过碰撞，将能量转移给其中一个原子，使其跃迁到6P态，随后辐射出420 nm光子。这种效应在泵浦光接近共振、铷池温度较高时尤为明显，是上转换信号中的一个背景噪声源。

该研究成功地在铷蒸气中通过共振四波混频，将532 nm的绿光高效地转换为420 nm的准直蓝光。研究不仅系统地表征了该过程对泵浦光频率、偏振、功率和铷池温度的依赖性，更重要的是，它首次展示了该技术对空间非相干光图像的上转换能力。尽管上转换过程伴随着一定的图像质量损失，但这一突破性进展证明了该方案作为原子共振滤波器的巨大潜力。该滤波器具有窄线宽（<1 GHz）、可调谐、高光谱选择性等优点，有望在激光雷达、大气遥感等需要从强背景噪声中提取微弱信号的领域发挥重要作用。