【摘要】：光學(xué)相位估計(jì)是物理學(xué)前沿的研究方向之一,對(duì)量子通信、引力波探測(cè)、量子密鑰分發(fā)等很多領(lǐng)域的發(fā)展都至關(guān)重要,在測(cè)量位置、旋轉(zhuǎn)、動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)、磁場和引力波等方面均取得了重大的突破進(jìn)展。光學(xué)相位估計(jì)的極限由量子力學(xué)所限制,該領(lǐng)域研究的一個(gè)重要方向就是發(fā)展能接近甚至超過標(biāo)準(zhǔn)量子極限的測(cè)量手段和實(shí)驗(yàn)技術(shù)。近年來,為提高測(cè)量精度,各種相位估計(jì)算法應(yīng)運(yùn)而生,自適應(yīng)相位估計(jì)系統(tǒng)迅速發(fā)展。在提高精度的同時(shí),研究者們也致力將這些精密測(cè)量系統(tǒng)小型化,集成化,將其往應(yīng)用方向發(fā)展。由于光纖具有體積小,對(duì)電磁干擾免疫,耐惡劣環(huán)境,以及可直接耦合進(jìn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)等優(yōu)勢(shì),光纖型傳感器在高靈敏應(yīng)變傳感器,光纖陀螺儀等光學(xué)精密測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。光纖系統(tǒng)可作為精密相位測(cè)量實(shí)驗(yàn)的載體,適合作自適應(yīng)相位估計(jì)系統(tǒng)向?qū)嵱没l(fā)展的橋梁。本文主要研究了光纖型自適應(yīng)平衡零差探測(cè)系統(tǒng),驗(yàn)證了該系統(tǒng)對(duì)隨機(jī)相位信號(hào)的量子極限測(cè)量;另外,還搭建了干涉儀型自適應(yīng)相位追蹤系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)隨機(jī)信號(hào)的實(shí)時(shí)追蹤。具體內(nèi)容如下:1.搭建了光纖自適應(yīng)零差探測(cè)系統(tǒng)來追蹤Ornstein-Uhlenbeck隨機(jī)信號(hào)。我們使用電光振幅調(diào)制器產(chǎn)生一對(duì)1.5 MHz的邊帶作為輸入態(tài),加載隨機(jī)信號(hào)后與本地光在50/50光纖分束器處干涉,隨后用一對(duì)平衡探測(cè)器探測(cè)其輸出信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)Ornstein-Uhlenbeck隨機(jī)信號(hào)(帶寬1kHz)的最優(yōu)估計(jì),我們?cè)O(shè)計(jì)了兩個(gè)相位鎖定環(huán)路來保證信號(hào)光和本地光的相對(duì)相位工作在最優(yōu)測(cè)量點(diǎn):一個(gè)反饋環(huán)路工作頻率設(shè)計(jì)為100Hz以下,用于抑制環(huán)境擾動(dòng),另一個(gè)工作環(huán)路利用卡曼濾波器理論設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)最優(yōu)估計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在光子數(shù)為106,隨機(jī)相位信號(hào)為±2.4弧度時(shí),測(cè)得的追蹤均方差優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)外差理論的理論值,與自適應(yīng)濾波理論吻合良好,證明探測(cè)精度達(dá)到了量子極限精度。2.搭建了光纖型馬赫-曾德爾干涉儀相位追蹤系統(tǒng)。干涉儀的主體由兩個(gè)50/50光纖分束器,兩個(gè)壓電陶瓷型相位調(diào)制器和兩個(gè)電光相位調(diào)制器組成,干涉儀輸入端口一端入射振幅調(diào)制光束,一端入射真空態(tài)。給干涉儀一臂加載隨機(jī)信號(hào),與另一臂信號(hào)干涉后由一對(duì)平衡探測(cè)器接收,探測(cè)器直流輸出信號(hào)用來鎖定低頻環(huán)路,抑制環(huán)境擾動(dòng)。交流信號(hào)解調(diào)放大后進(jìn)入濾波估計(jì)環(huán)路,由PID作為反饋估計(jì)器將估計(jì)信號(hào)加載在干涉儀的另一臂從而提高測(cè)量精度。實(shí)驗(yàn)中用該系統(tǒng)較為精準(zhǔn)的追蹤了隨機(jī)相位信號(hào),在高精度光纖傳感等方面有廣闊的應(yīng)用前景。
【圖文】：

靜態(tài)相位估計(jì)是指估計(jì)的相位信號(hào)是隨時(shí)間不變的信號(hào)，也叫做單發(fā)相位測(cè)逡逑量。２００２年，，Ａｒｍｅｎ等人第一次在實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行了自適應(yīng)單發(fā)相位測(cè)量［１４］，其逡逑實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量結(jié)果如圖１．１。他們用弱相干態(tài)作為探測(cè)態(tài)來測(cè)量單發(fā)相位，分逡逑別用外差探測(cè)法和自適應(yīng)平衡零差探測(cè)法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。圖１．１邋（Ａ）是實(shí)驗(yàn)裝置逡逑圖，根據(jù)加載單發(fā)信號(hào)后實(shí)時(shí)探測(cè)的平衡光電流的值來計(jì)算實(shí)時(shí)的反饋相位逡逑２逡逑

中⑴一吾］＾也／0；）／７１；，該反饋過程由ＦＰＧＡ來實(shí)現(xiàn)，將該反饋相位加載在電光逡逑調(diào)制器ＥＯＭ上從而使信號(hào)光和本地光的相對(duì)相位調(diào)節(jié)到光子數(shù)為８時(shí)，三次逡逑連續(xù)單發(fā)探測(cè)時(shí)的平衡光電流及反饋相位的時(shí)域圖如圖１．邋１邋（Ｂ）。圖１．邋１（Ｃ）為實(shí)逡逑驗(yàn)精度圖，證明了自適應(yīng)零差測(cè)量系統(tǒng)相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)外差測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)越性，同時(shí)逡逑繪制了理想外差測(cè)量方差的理論預(yù)測(cè)。外差數(shù)據(jù)與理論的良好一致性表明，相千逡逑信號(hào)狀態(tài)下沒有多余的相位噪聲。在每脈沖１０－３００個(gè)光子的范圍內(nèi)，大部分的逡逑自適應(yīng)數(shù)據(jù)都低于外差測(cè)量的絕對(duì)理論極限（虛線），而且所有的自適應(yīng)數(shù)據(jù)都低逡逑于修正過電子噪聲的曲線。在光子小于８時(shí)，本征相位的不確定度變大，自適應(yīng)逡逑零差探測(cè)的理論值和外差的理論值差距變小，自適應(yīng)零差探測(cè)的優(yōu)越性變小。光逡逑子數(shù)超過３００時(shí)，反饋環(huán)路的技術(shù)噪聲變大，自適應(yīng)零差探測(cè)的精度逐步高于外逡逑差探測(cè)的精度。逡逑ａ邋邐邋邐逡逑－２邋－邋Ｎｔ０
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O413;TN253;TP212

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本文編號(hào)：2649650