稳定输出的1.06微米压缩真空态光源的制备

论文摘要

量子光学在非经典光场的产生和应用方面得到了飞速发展,基于量子水平的精密测量已成为三十年来物理学所关注的一个重要研究方向。其中压缩态光场是量子光学研究中最热门的方向之一。为突破量子噪声对精密测量的限制,需要尽可能地降低光源的量子噪声。海森堡测不准原理指出,当某一分量的量子噪声低于散粒噪声极限（shot noise limit,SNL）时,其共轭分量上的量子噪声势必会高于散粒噪声极限,人们把某一分量噪声低于散粒噪声极限的光场称之为压缩态光场。压缩态光场凭借其噪声特性在精密测量中得到了广泛地应用。为了有效地利用压缩态光场,需要制备稳定可靠的压缩态光源。光学参量振荡器（optical parametric oscillator,OPO）的参量下转换过程是制备压缩态光场最有效的方法之一,我们的实验是通过波长为532 nm的激光泵浦由I类匹配的周期极化磷酸氧钛钾（periodically poled potassium titanyl phosphate,PPKTP）晶体构成的光学参量振荡器来制备1.06μm压缩真空态光场,为了获得稳定输出的压缩真空态光场,我们开展了一系列的研究,具体工作如下:1、使用单向行波腔技术和内腔二次谐波产生（second harmonic generation,SHG）技术得到了高功率1.06μm和532 nm双波长输出的激光器。实验中通过引入和控制二次谐波产生时引入的非线性损耗,使得激光器可以在无模式跳变的情况下保持稳定的单频运转。在50 W泵浦光的抽运下,输出532 nm和1.06μm激光的功率为9.5W和3.1 W,并且可以长时间单纵模运转。实验中测得激光器输出两个波长激光的相位噪声在分析频率大于5 MHz处都达到散粒噪声极限,强度噪声在分析频率大于3.5MHz处都达到散粒噪声极限。激光器输出1.06μm激光的光束质量Mx2=1.06、My2=1.05,输出532 nm激光的光束质量Mx2=1.09、My2=1.12。2、使用PDH（Pound-Drever-Hall）技术将激光器的频率锁定在一个共焦法布里-珀罗（Fabry-Pérot,F-P）腔的共振频率上来对激光器进行稳频,锁定后激光器的频率漂移在3小时内小于±1.5 MHz。通过引入了基于马赫曾德干涉仪（Mach-Zehnder Interferometer,MZI）的控制环路,对激光器输出532 nm激光的功率进行稳定并对其噪声进行抑制,其功率波动在5小时内为±0.2%,其强度噪声在声频段得到了抑制。在激光器输出光路中使用模式清洁器改善了两个波长激光的光束质量,由模式清洁器出射的1.06μm激光光束质量为Mx2=1.02、My2=1.01,532 nm激光光束质量为Mx2=1.04、My2=1.01。由模式清洁器出射激光的强度噪声均在1.8 MHz以上达到散粒噪声极限。3、通过使用光学线性调频转发器边带调制（serrodyne sideband modulation,SSM）技术得到了锁定OPO腔腔长使用的辅助光,配合PDH技术实现了阈值以下OPO腔腔长的锁定。向OPO腔中注入阈值以下的泵浦光后,用平衡零拍探测器（balanced homodyne detector,BHD）测量下转换光场的噪声功率,在分析频率为3 MHz处,测得压缩度为7.1 dB。4、在OPO腔的腔长锁定后,通过引入一束频移量为25 MHz的相干控制场,使用相干控制方法实现了对压缩真空态光场压缩角的锁定,通过平衡零拍探测器检测这个频率处产生的明亮压缩态光场的噪声分布,确定了压缩真空态光场在其它频率处压缩角的锁定位置。为了能够长时间测量OPO产生的压缩态光场,使用相干控制的方法对本底振荡（local oscillator,LO）光的相位进行了锁定。最终得到了稳定输出的压缩态光场,对压缩态光场在分析频率为3 MHz处的压缩度进行了3小时测量,测量结果为7.2±0.1 dB。5、讨论了测量音频段压缩真空态光场时,探测器共模抑制比（common mode rejection ratio,CMRR）以及压缩真空态光场与LO光之间的相位抖动对压缩测量结果的影响。在前边工作的基础上,使用在音频段CMRR大于60 dB的平衡零拍探测器,最终在5-20 kHz的音频段测量得到6.1±0.3 dB的压缩真空态光场,在3.5 kHz处测得压缩度为3.0±0.3 dB。本论文的主要创新点如下:1、使用单向行波腔技术和内腔二次谐波产生技术得到了高功率1.06μm和532nm双波长输出的激光器。通过引入和控制二次谐波产生时引入的非线性损耗,使得激光器可以在无模式跳变的情况下长时间保持稳定的单频运转。之后使用PDH技术将激光器的频率锁定在一个共焦F-P腔的共振频率上来对激光器进行稳频,锁定后激光器的频率漂移在3小时内小于±1.5 MHz。此外,引入了基于马赫曾德干涉仪的控制环路,对激光器输出532 nm激光的功率进行稳定并对其噪声进行抑制,其功率波动在5小时内为±0.2%,其强度噪声在声频段得到了抑制。2、通过使用光学线性调频转发器边带调制技术得到了锁定OPO腔腔长使用的辅助光,配合PDH技术实现了阈值以下OPO腔腔长的锁定。在OPO腔的腔长锁定后,通过引入一束频移量为25 MHz的相干控制场,使用相干控制方法实现了对压缩真空态光场压缩角的锁定,通过平衡零拍探测器检测这个频率处产生的明亮压缩态光场的噪声分布,确定了压缩真空态光场在其它频率处的压缩角锁定位置。为了能够长时间测量OPO产生的压缩态光场,使用相干锁定的方法对LO光的相位进行了锁定。最终得到了稳定输出的压缩真空态光场,对压缩态光场在分析频率为3 MHz处的压缩度进行了3小时测量,测量结果为7.2±0.1 dB。3、讨论了在音频段测量压缩真空态光场时,探测器共模抑制比和压缩真空态光场与LO光之间的相位抖动对压缩测量结果的影响。最终在5-20 kHz的音频段测量得到6.1±0.3 dB的压缩真空态光场,在3.5 kHz处测得压缩度为3.0±0.3 dB。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 光的量子态
•   1.3 压缩态光场的应用
•   1.4 压缩态光场的产生
•     1.4.1 四波混频制备压缩态光场
•     1.4.2 光学参量过程制备压缩态光场
•   1.5 压缩态光场的探测
•   1.6 本论文的主要内容
•   参考文献
• 第二章 LD泵浦的全固态连续单频Nd:YVO4/LBO内腔倍频双波长1.06μm/532 nm激光器
•   2.1 引言
•   2.2 理论分析
•   2.3 实验装置
•   2.4 实验结果
•   2.5 本章小结
•   参考文献
• 第三章 用于产生压缩态光场激光光源的优化
•   3.1 引言
•   3.2 激光器稳频
•   3.3 532nm激光功率稳定
•     3.3.1 功率稳定理论分析
•     3.3.2 实验结果与分析
•   3.4 532nm激光噪声抑制
•   3.5 模式清洁器优化光束质量和激光噪声
•   3.6 本章小结
•   参考文献
• 第四章 1.06μm压缩真空态光场的制备
•   4.1 引言
•   4.2 光学线性调频转发器边带调制技术
•   4.3 实验装置
•   4.4 实验结果
•   4.5 本章小结
•   参考文献
• 第五章 基于相干控制技术得到稳定输出的压缩真空态光场
•   5.1 引言
•   5.2 理论分析
•     5.2.1 压缩角控制理论
•     5.2.2 压缩角位置判断
•     5.2.3 控制LO光与压缩态光场的相对相位
•   5.3 相干控制的实验装置与误差信号的获得
•     5.3.1 相干控制实验装置
•     5.3.2 误差信号
•   5.4 稳定输出的压缩态光源
•   5.5 本章小结
•   参考文献
• 第六章 音频段压缩真空态光场的测量
•   6.1 引言
•   6.2 理论分析
•   6.3 实验装置图
•   6.4 实验结果与分析
•   6.5 本章小结
•   参考文献
• 第七章 总结与展望
• 成果目录
• 致谢
• 个人简况

文章来源

类型: 博士论文

作者: 高英豪

导师: 张宽收

关键词: 连续单频,激光,光学参量振荡器,压缩真空态光场,相干控制

来源: 山西大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 山西大学

分类号: O431.2

总页数: 110

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