压缩态光场制备系统中剩余幅度调制的抑制

论文摘要

压缩态光场是一种非常重要的非经典光场,基于其极低的量子噪声特性,使其在精密测量、量子信息、量子成像等诸多研究领域存在着巨大的应用潜力。在精密测量领域,如引力波探测,利用压缩真空态光场填补迈克尔逊干涉仪的真空通道,可以抑制真空背景噪声,提高干涉仪对极微弱信号探测的灵敏度。在量子信息领域,压缩态光场可以用来制备纠缠态光场,纠缠态光场作为量子信息的核心,可进一步完成量子隐形传态、量子密集编码、量子保密通讯等许多经典光场不可能完成的任务。在量子成像领域,利用纠缠态光场可以获得高分辨率、高质量的图像信息。为了提高精密测量的灵敏度、量子信息传输的保真度和量子成像的质量等,制备高压缩度、长期稳定运转的高性能压缩态光场成为近几十年来物理学界所关注的一个重要研究课题。获得压缩态光场的方法有多种,低于阈值的光学参量振荡器（optical parametric oscillator,OPO）被证明是制备压缩态光场最有效的方案。然而,在压缩态光场的实验制备系统中,受光学损耗和相位抖动等因素的限制,压缩态光场压缩度的提高非常困难。随着镀膜技术、晶体生长技术、模式匹配技术等技术的提高,系统的光学损耗被有效的减小,当光学损耗减小到一定程度时,相位抖动成为限制压缩度提高的关键因素。引起相位抖动的因素除了环境的振动外,还与伺服控制系统的性能有关。在基于电光相位调制的反馈控制系统中,电光相位调制器（electro-optical modulator,EOM）不可避免的会引入剩余幅度调制（residual amplitude modulation,RAM）,使得锁腔和锁相的PDH（Pound-Drever-Hall）误差信号的零基线随时间漂移,影响腔长和相位的锁定。腔长和相位锁定点的漂移等效于相位噪声,严重影响压缩态光场的压缩度和长期稳定性,不利于获得高性能的压缩态光场。本文主要围绕压缩态光场制备系统中剩余幅度调制的抑制开展理论和实验研究。主要内容包括:首先,介绍了压缩态光场的发展历程和量子光学的基础理论以及OPO腔失谐和相对相对抖动引入的相位噪声对压缩态光场的影响;其次,分析了剩余幅度调制的产生机理及其对OPO腔长和相对相位锁定的影响;最后,提出了抑制剩余幅度调制的实验方案,提高OPO腔长和相对相位锁定的稳定性和准确性,降低了压缩态光场的相位噪声,从而获得高性能的压缩态光场。其中创新点包括:A:理论分析了OPO腔长失谐和相对相位抖动引入的相位噪声对压缩态光场的影响。B:推导了存在RAM的PDH锁腔和锁相误差信号的理论表达式,详细分析了相关实验参数对误差信号零基线漂移的影响,为RAM的抑制提供理论指导。C:利用光学腔锁定中OPO腔线宽大、阻抗匹配效率低的特点和相对相位锁定中本底光和压缩光功率差别大的特点,通过合理设计锁定方案,有效抑制RAM对腔长和相位锁定的影响,提高压缩态光场的输出功率和压缩度的长期稳定性。D:提出利用楔形电光晶体抑制RAM的方法,通过合理选择晶体楔角大小和入射光斑大小可以在不增加系统尺寸的条件下有效抑制RAM,对压缩源/纠缠源的小型化和集成化有重要意义。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 量子光学基础理论
•     1.2.1 电磁场的量子化及其量子起伏
•     1.2.2 正交算符
•     1.2.3 海森堡不确定原理
•     1.2.4 相干态
•     1.2.5 压缩态
•   参考文献
• 第二章 相位噪声对压缩态光场的影响
•   2.1 引言
•   2.2 压缩态光场的产生
•     2.2.1 二阶非线性相互作用
•     2.2.2 利用参量下转换过程产生压缩光的理论研究
•     2.2.3 OPO腔失谐引入的相位噪声对压缩度的影响
•   2.3 压缩态光场的探测
•     2.3.1 平衡零拍探测原理
•     2.3.2 相对相位失谐引入的相位噪声对压缩度的影响
•   2.4 本章小结
•   参考文献
• 第三章 剩余幅度调制对锁腔和锁相的影响
•   3.1 引言
•   3.2 电光相位调制原理
•     3.2.1 电光效应
•     3.2.2 纯的电光相位调制
•     3.2.3 存在RAM的电光相位调制
•   3.3 PDH技术获取锁腔的误差信号
•     3.3.1 纯相位调制下的锁腔误差信号
•     3.3.2 存在RAM的锁腔误差信号
•   3.4 PDH技术获取锁相位的误差信号
•     3.4.1 纯的相位调制下的锁相位误差信号
•     3.4.2 存在RAM的锁相位误差信号
•   3.5 本章小结
•   参考文献
• 第四章 利用OPO腔和相位锁定的特点抑制剩余幅度调制
•   4.1 引言
•   4.2 RAM引起腔失谐和相位抖动的研究
•     4.2.1 RAM引起腔失谐的研究
•     4.2.2 RAM引起相位抖动的研究
•   4.3 实验结果和分析
•   4.4 本章小结
•   参考文献
• 第五章 利用楔形电光晶体抑制剩余幅度调制
•   5.1 引言
•   5.2 晶体楔角和光斑大小的优化选择
•     5.2.1 楔形晶体的RAM理论模型
•     5.2.2 实验结果和分析
•   5.3 在压缩态光场制备系统中利用楔形电光晶体抑制RAM
•   5.4 本章小结
•   参考文献
• 第六章 全文总结与展望
• 攻读学位期间取得的研究成果
•   发表论文
•   申报专利
• 攻读学位期间获奖情况
• 致谢
• 个人简况及联系方式

文章来源

类型: 博士论文

作者: 李志秀

导师: 郑耀辉,彭堃墀

关键词: 光学参量振荡器,放大器,压缩态光场,相位调制,剩余幅度调制,长期稳定性

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: 100

文件大小: 9734K

下载量: 118