高壓縮度壓縮光源的實驗研究與儀器化

發(fā)布時間：2020-07-05 04:17

【摘要】：壓縮態(tài)作為一種非經(jīng)典光在量子光學領(lǐng)域有著巨大的應用潛力,如在精密測量領(lǐng)域已經(jīng)用于探測引力波的激光干涉儀中、在量子信息領(lǐng)域已經(jīng)用于離物傳態(tài)和量子密碼學中、在量子成像領(lǐng)域雙模壓縮態(tài)已經(jīng)可以實現(xiàn)信噪比超越經(jīng)典極限的量子成像�；谏鲜鰬眯枨�,為了提高測量的靈敏度和信息存儲的保真度,就需要制備出高壓縮度的量子壓縮態(tài)光場。目前,有很多實驗制備壓縮態(tài)的方法,比如:通過四波混頻過程在原子氣室中產(chǎn)生壓縮光、通過非線性晶體參量下轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生壓縮態(tài)光場,此外還可以利用光動力學相互作用過程產(chǎn)生壓縮態(tài)光場。在以上方法中,通過非線性晶體參量下轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生壓縮態(tài)的方法成為目前為止最有效的方法,并被廣泛使用在各領(lǐng)域的科學研究中。制備高壓縮度的壓縮態(tài)光場的關(guān)鍵是研制出高性能高穩(wěn)定度的激光器和光學參量振蕩器,并實現(xiàn)腔長和光場位相的精確控制。實現(xiàn)上述關(guān)鍵技術(shù)的主要技術(shù)途徑有以下幾方面:首先是設計出高性能的光學參量振蕩腔,半整塊腔作為目前最有效的光學參量下轉(zhuǎn)換腔型,具有損耗小,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,易于控制等優(yōu)點,再結(jié)合相干光控制技術(shù)和PDH鎖定技術(shù),就可以實現(xiàn)光學參量振蕩腔腔長以及光波相對位相的穩(wěn)定鎖定,為高壓縮度壓縮光源的研制提供關(guān)鍵技術(shù)支撐;其次是非線性晶體材料加工工藝的發(fā)展,使的PPKTP成為目前準相位匹配最好的材料并被廣泛用于高壓縮度壓縮態(tài)光場制備中,我們通過挑選出非線性轉(zhuǎn)化效率較高吸收損耗小的晶體進行強量子壓縮光源的研制;此外,研制低噪聲、光束質(zhì)量好可以長期穩(wěn)定工作的小型化1064 nm單頻瓦級激光器、設計整體結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的光學諧振腔和響應頻率更高的腔長控制環(huán)路以及穩(wěn)定的系統(tǒng)光路,為高壓縮度壓縮光源的研究奠定了基礎。本文的研究工作主要圍繞上述各方面開展研究。通過采用半整塊腔型,再輔助以相干光控制技術(shù)和PDH鎖定技術(shù)鎖定腔長和相對相位并加強光學部分機械穩(wěn)定性,以及提高光束傳輸與變換、諧振腔本征模式與高斯光束匹配精度將系統(tǒng)的傳輸效率、穩(wěn)定性和控制精度提高;最后優(yōu)化和調(diào)試電路控制部分提高兼容特性和信噪比,以期研制出一套高壓縮度、長期穩(wěn)定性優(yōu)良的壓縮光源。本論文主要內(nèi)容有:1.光源:研制了一款小型化、低噪聲和高功率單頻激光器,并重新設計了光學參量振蕩器,采用半整塊腔型結(jié)構(gòu),通過優(yōu)化腔參數(shù)和腔鏡曲率半徑使得諧振腔的本征模式的腰斑位置落在晶體的中心位置,結(jié)合非線性晶體損傷和吸收特性選擇合適的腰斑半徑以提高非線性轉(zhuǎn)換效率,以便于提高參與非線性轉(zhuǎn)換的腔模體積,減小腔內(nèi)損耗提高逃逸效率;輔以整體腔結(jié)構(gòu)及聚砜、陶瓷保溫材料,實現(xiàn)了絕熱更好、精度更高的溫度控制,為PPKTP進行高效率參量轉(zhuǎn)換提供了條件。2.探測系統(tǒng):優(yōu)化了平衡零拍探測系統(tǒng)的光路,使得信號光和本底光在經(jīng)過50/50分束器后傳播相等的距離,經(jīng)過相同的光學元件,使信號光和本底光在兩臂光路的傳播過程中產(chǎn)生盡量相等的損耗,保證了信號光和本底光在50/50分束器上分束功率更平衡,另外我們還將信號光和本底光注入光電二極管的入射角設計為20度(二極管感光面鍍有20度入射減反膜),并用一組凹面鏡搜集從光電二極管反射出來的剩余反射光重新注入光電二極管,并在此基礎上重新新設計了平衡零拍探測器,使得電子學噪聲更低、增益更高,在注入11 mW的本底光時,散粒噪聲基準較電子學噪聲抬高了28 dB以上,在音頻段共模抑制比達到了67 dB以上。經(jīng)過以上,光路和探測器的改進,提高了整個平衡零拍探測系統(tǒng)的探測效率。3.模式匹配和相位鎖定:通過計算機程序模擬模式匹配和高斯光束整形的過程來算出透鏡組參數(shù),讓模式匹配和光束變換變得簡單高效,在實際操作時,先用光束質(zhì)量分析儀對初始光束的腰斑大小和位置進行測量,再根據(jù)目標光束的參數(shù)進行模式匹配理論計算出所需的透鏡組的焦距和位置,然后將透鏡組放置到光路中相應的位置對初始光束進行整形,驗證理論計算結(jié)果。再經(jīng)過微調(diào)和實驗驗證,就可以實現(xiàn)高斯光束和諧振腔的模式匹配效率接近100%。此外,壓縮系統(tǒng)光路中每一個諧振腔長和相對位相都采用PDH鎖頻技術(shù),為了提高鎖定系統(tǒng)的穩(wěn)定性和帶寬,我們設計了高增益共振型鎖腔探測器和響應頻率更高、機械結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的移相器及腔長反饋結(jié)構(gòu)。為了進一步減小鎖定后腔長和相對位相的波動,我們發(fā)現(xiàn)從OPA腔前和腔后提取的誤差信號相關(guān)聯(lián)產(chǎn)生相反的位相波動方向,基于這個特性,我們設計了一種補償不同鎖定環(huán)路之間由于剩余振幅調(diào)制引起的位相抖動的方案,實現(xiàn)了鎖定后的泵浦光和種子光的相對位相抖動引起的壓縮角旋轉(zhuǎn)與本底光和信號光相對位相之間相位抖動的相互補償,減小了系統(tǒng)各鎖定環(huán)路之間總的位相波動。最終實現(xiàn)了12.6 dB的壓縮態(tài)光場,穩(wěn)定輸出三小時以上,波動為正負0.2 dB�？傊�,為了提高整個壓縮產(chǎn)生系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性,我們分別從以下幾個方面對壓縮產(chǎn)生系統(tǒng)進行了改進:一,研制了一款專用于壓縮光源的小型化、低噪聲、高功率1064 nm激光器,其輸出功率最高可達2.5 W,8小時功率波動為正負0.32%。為了提高激光器單頻運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性,我們在激光器諧振腔內(nèi)加入一塊非線性晶體來引入非線性損耗,使得振蕩模和非振蕩模之間的損耗產(chǎn)生兩倍的差異,從而實現(xiàn)了主振蕩模在模式競爭中更具優(yōu)勢,提高了激光器單頻穩(wěn)定性。二,為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,光路中的鏡架全部采用定制的一體鏡架。此外我們還改進了移相器的機械結(jié)構(gòu)減小了掃描位相時的機械抖動,從而減小光波位相的不確定性。三,優(yōu)化光路設計,將系統(tǒng)的關(guān)鍵位置加裝了模式清潔器,優(yōu)化了模式空間分布,降低了激光相對強度噪聲,減小了光束指向抖動。經(jīng)過精心設計系統(tǒng)光路使結(jié)構(gòu)更加緊湊,光程縮短,損耗降低。重新設計了平衡零拍探測器使其電子學噪聲更低,增益更大,音頻段共模抑制比更高。經(jīng)以上一系列的改進和優(yōu)化,最終在分析頻率3 MHz處測得12.6 dB明亮振幅壓縮,在分析頻率15.2 kHz處測得9.9dB的真空音頻壓縮。以上工作中,屬于創(chuàng)新的工作有以下幾點:A:從理論上分析了影響壓縮度提高的主要因素:光學損耗和位相抖動,提出了降低損耗和抖動的方法,并應用在實驗中得到了驗證。B:將高斯光束和諧振腔本征模式的模式匹配建立了數(shù)學模型,讓模式匹配和光束變換中透鏡組焦距和位置的確定變得簡潔快速。C:設計了不同鎖定環(huán)路之間相對位相抖動的補償方案,減小了系統(tǒng)的總位相抖動。D:對比了外腔倍頻中駐波腔和行波腔的優(yōu)缺點,為實現(xiàn)高效的光學參量下轉(zhuǎn)換奠定了理論和實驗基礎。E:設計了一體化的移相器、光學參量振蕩器和模式清潔器,保證了系統(tǒng)機械穩(wěn)定性,并改進了壓電陶瓷的安裝方法提高了鎖定環(huán)路的響應頻率。F:分析了壓縮態(tài)測量中,本底光相對強度噪聲、平衡零拍探測器共模抑制比和壓縮度對測量誤差的影響,并給出了實際情況中計算誤差的方法。
【學位授予單位】：山西大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O431.2
【圖文】：

示意圖,噪聲特性,光場,文獻