CN104111121A - 一种快速、精确地调节两束激光干涉的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种快速、精确地调节两束激光干涉的方法，此方法包括以下步骤：在两束激光发生干涉的光学分束器的一臂上加入第六导光镜，在第六导光镜和第一探测器之间放置一个非简并光学腔；用透镜组a变换激光束a的横模尺寸，使激光束a与非简并光学腔的本征模实现模式匹配；用透镜组b变换激光束b的横模尺寸，使激光束b与非简并光学腔的本征模实现模式匹配；扫描上述两束激光的相对相位，由第二或第三探测器观察并验证干涉效率。该方法装置简单，操作方便，实用性强，调节干涉精度高。

Description

一种快速、精确地调节两束激光干涉的方法

技术领域

本发明涉及一种快速、精确地调节两束激光干涉的方法，具体是一种利用非简并光学腔快速、精确地调节两束激光干涉的方法。

背景技术

压缩态光场是一种非常重要的非经典光场，可以应用于引力波的探测、光学精密测量、纠缠态光场的产生、量子通讯等研究领域。尤其在量子通讯方面，两个单模压缩态光场或者一个双模压缩态光场可用来产生纠缠光，纠缠光作为量子信息的基础和核心，可以完成量子纠缠交换、超微弱信息的量子传输、量子保密通信、量子密集编码和量子离物传态等量子通信领域的重要原理性实验。

平衡零拍探测系统是一种常用的测量非经典光场正交振幅与位相量子起伏的实验装置，它由一个50/50光学分束器(50/50Beam Splitter，简写为50/50BS)、一对增益和带宽完全一致的光电探测器和一个电子信号减法器构成。测量中，本底光(相干光)与信号光(非经典光)需要在50/50光学分束器上进行相干耦合，其中本底光的功率远大于信号光。在测量非经典光场量子起伏之前，需要先调节本底光与信号光通过分束器BS之后两光束的的传播方向完全重合,且光束的横模尺寸处处相等。两光束空间模式匹配的程度可以用干涉效率h来衡量，h可表示为：(表征信号光与本底光的空间模式匹配程度)，其中I_max与I_min分别为扫描两束激光相对位相得到的干涉条纹的峰与谷对应的光强。其空间模式匹配的程度，将直接影响压缩态光场的测量结果。

在对压缩光和纠缠光的探测中一般要求干涉效率达到98％以上。通常情况下，为确保通过分束器BS之后本底光与信号光的传播方向完全重合,且光束的横模尺寸处处相等，在平衡零拍探测前我们需要在本底光的光路中插入一组透镜变换其横模尺寸，使其与信号光在50/50分束器处的横模尺寸完全相同。在实验中通常可通过变换匹配透镜的焦距与位置，调节本底光的横模尺寸，然后采用探片或CCD在多个位置观察两光束的重合。在模式匹配的过程中，每更换一次透镜，需重新调节两光束的重合，同时为了方便观察与计算干涉效率，需调节两光束的功率相等或接近。这种方法既耗时又费力，并且很难获得较高的干涉效率。因此一种能快速、精确调节两束激光干涉的方法具有重要的应用价值。

发明内容：

本发明的目的是提供一种快速、精确地调节两束激光干涉的方法。

本发明的核心思想是把调节两束激光的干涉转化为激光束与非简并光学腔的本征模的匹配。首先，在两束激光发生干涉的光学分束器的一臂上加入第六导光镜，在第六导光镜和第一探测器之间放置一个非简并光学腔。然后，用透镜组a变换激光束a的横模尺寸，用透镜组b变换激光束b的横模尺寸，使上述两激光束分别与非简并光学腔的本征模实现模式匹配。最后，激光束a与激光束b通过光学分束器之后的横模模式即实现了长距离范围内的重叠，通过扫描上述两束激光的相对相位，由第二探测器或第三探测器观察并验证干涉效率。

本发明提供的一种快速、精确地调节两束激光干涉的方法，包括以下步骤：

(1)、在两束激光发生干涉的光学分束器的一臂上加入第六导光镜，在第六导光镜和第一探测器之间放置一个非简并光学腔。

(2)、用透镜组a变换激光束a的横模尺寸，使激光束a与非简并光学腔的本征模实现模式匹配。

遮挡激光束b，在非简并光学腔前插入合适焦距的透镜组a，变换激光束a的横模尺寸，使其横模模式与非简并光学腔的本征模模式一致。调节第一导光镜和第二导光镜，使激光束a在非简并光学腔内谐振并与其本征模完全重合，通过第二压电陶瓷扫描非简并光学腔的腔长，由第一探测器即可观察到非简并光学腔输出激光的透射峰曲线，在一个自由光谱区内，当透射峰的主峰达到最高且无次峰出现或者次峰仅占总峰能量的1％以下时，此时激光束a与非简并光学腔3即实现了完全的模式匹配。

(3)、用透镜组变换激光束b的横模尺寸，使激光束b与非简并光学腔的本征模实现模式匹配。

遮挡激光束a，放开激光束b，在激光束b光路中的第四导光镜前插入合适焦距的透镜组b，变换激光束b的横模尺寸，使其横模模式与非简并光学腔的本征模模式一致。调节第三导光镜和第四导光镜，使激光束b在非简并光学腔内谐振并与其本征模完全重合。由第一探测器观察激光束b与非简并光学腔模式匹配的程度，方法与激光束a的匹配步骤相同。

放开激光束a，撤掉第六导光镜、透镜组a、非简并光学腔3、第一透镜和第一探测器。

(4)、通过扫描激光束a与激光束b的相对相位，由第二探测器或第三探测器观察并验证干涉效率。

激光束a和激光束b同时经过光学分束器，通过安装于第五导光镜上的第一压电陶瓷扫描上述两束激光的相对位相，由第二探测器或者第三探测器即可观察到两激光束的干涉曲线。通过以上调节，两激光束的干涉效率一般可达到99％以上。

所述的非简并光学腔3可以是两镜腔、三镜腔或四镜腔等。

所述的两束激光干涉的调节方法，其特征在于把调节两束激光的干涉转化为激光束与非简并光学腔的本征模的匹配：激光束a与激光束b分别与非简并光学腔的本征模实现模式匹配时，两束激光通过光学分束器之后的横模模式即达到长距离范围内的完全重叠，从而其干涉效率可达到99％以上。

本发明所述的调节两束激光干涉的方法与传统的方法相比具有以下优点：

(1)该调节两束激光干涉的方法把传统的观察激光束的横模尺寸转变为激光束与非简并光学腔的本征模的匹配，操作更加简单方便，调节精度高。

(2)与传统方法相比，该方法无需使两束激光功率相等或接近，两束激光功率差别较大也方便调节。

(3)与传统方法相比，该方法无需多处观察两束激光的横模尺寸及两束激光的空间模式重叠程度。

附图说明

图1是利用非简并三镜腔调节激光束a与激光束b干涉的示意图

图2是利用非简并两镜腔调节激光束a与激光束b干涉的示意图

图中：1-激光束a，2-激光束b，3-非简并三镜腔，4-透镜组a，5-透镜组b，6-第一导光镜，7-第二导光镜，8-第三导光镜，9-第四导光镜，10-第五导光镜，11-第六导光镜，12-光学分束器，13-第一压电陶瓷，14-第二压电陶瓷，15-第一透镜，16-第二透镜，17-第三透镜，18-第一探测器，19-第二探测器，20-第三探测器，21-非简并两镜腔，22-透镜组c，23-透镜组d，24-第三压电陶瓷。

图3是实施例1中，激光束a和激光束b通过非简并三镜腔的透射峰曲线

图4是实施例1中，归一化的激光束a和激光束b的干涉曲线

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做出进一步详细说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1.如图1，利用非简并三镜腔调节激光束a与激光束b的干涉。激光束a1即信号光，其近似为平行光，波长为1550nm，腰斑半径为1mm。激光束b2即本底光，其近似为平行光，波长为1550nm，腰斑半径为1.5mm。该方法步骤包括：首先，在两束激光发生干涉的光学分束器12的一臂上加入第六导光镜11，在第六导光镜11和第一探测器18之间放置一个非简并三镜腔3。非简并三镜腔3是一个三镜环形窄带腔，由两面平面镜和一面凹面镜构成，总腔长为1000mm，基模腰斑半径为0.5mm。然后，遮挡激光束b2，沿着激光束a1的传播方向，依次在第六导光镜11与非简并三镜腔3之间插入焦距分别为120mm和60mm的匹配透镜组a4，其中两透镜间距离为180mm。经过匹配透镜组a4后，激光束a1的腰斑半径与非简并三镜腔3的基模腰斑半径一致。调节第一导光镜6和第二导光镜7，使激光束a1在非简并三镜腔3内谐振并与其基模完全重合，通过第二压电陶瓷14扫描非简并三镜腔3的腔长，由第一探测器18即可观察到非简并三镜腔3输出激光的透射峰曲线，在一个自由光谱区内，当透射峰的主峰达到最高且无次峰出现或者次峰仅占总峰能量的1％以下时(如图3所示)，此时激光束a1与非简并三镜腔3即实现了完全的模式匹配。第三，遮挡激光束a1，放开激光束b2，沿着激光束b2的传播方向，在第四导光镜9前依次插入焦距分别为105mm和70mm的匹配透镜组b5，其中两透镜间距离为175mm。经过匹配透镜组b5后，激光束b2的腰斑半径与非简并三镜腔3的基模腰斑半径一致。调节第三导光镜8和第四导光镜9，使激光束b2在非简并三镜腔3内谐振并与其基模完全重合。由第一探测器18观察激光束b2与非简并三镜腔3模式匹配的程度，方法与激光束a1的匹配步骤相同。激光束b2的横模模式与非简并三镜腔3的基模模式匹配之后，放开激光束a1，撤掉第六导光镜11、透镜组a4、非简并三镜腔3、第一透镜15和第一探测器18。最后，激光束一1和激光束二2同时经过光学分束器12，通过安装于第五导光镜10上的第一压电陶瓷13扫描上述两束激光的相对位相，由第二探测器19或者第三探测器20即可观察到两激光束的干涉曲线。为了便于观察干涉效率，这里调节两激光束的功率相等，获得的干涉曲线如图4所示，从图中可以看出两激光束的干涉效率达到了99.5％。

实施例2.如图2，利用非简并两镜腔调节激光束a与激光束b的干涉。激光束a1与激光束b2的参数与实施例1中相同。该方法步骤包括：首先，在两束激光发生干涉的光学分束器12的一臂上加入第六导光镜11，在第六导光镜11和第一探测器18之间放置一个非简并两镜腔21。非简并两镜腔21是一个共心腔，由两面凹面镜构成，总腔长为500mm，基模腰斑半径为0.4mm。然后，遮挡激光束b2，沿着激光束a1的传播方向，依次在第六导光镜11与非简并两镜腔21之间插入焦距分别为150mm和60mm的匹配透镜组c22，其中两透镜间距离为210mm。经过匹配透镜组c22后，激光束a1的腰斑半径与非简并两镜腔21的基模腰斑半径一致。调节第一导光镜6和第二导光镜7，使激光束a1在非简并两镜腔21内谐振并与其基模完全重合，通过第三压电陶瓷24扫描非简并两镜腔21的腔长，由第一探测器18即可观察到非简并两镜腔21输出激光的透射峰曲线，在一个自由光谱区内，当透射峰的主峰达到最高且无次峰出现或者次峰仅占总峰能量的1％以下时，此时激光束a1与非简并两镜腔21即实现了完全的模式匹配。第三，遮挡激光束a1，放开激光束b2，沿着激光束b2的传播方向，在第四导光镜9前依次插入焦距分别为120mm和80mm的匹配透镜组d23，其中两透镜间距离为200mm。经过匹配透镜组d23后，激光束b2的腰斑半径与非简并两镜腔21的基模腰斑半径一致。调节第三导光镜8和第四导光镜9，使激光束b2在非简并两镜腔21内谐振并与其基模完全重合。由第一探测器18观察激光束b2与非简并两镜腔21模式匹配的程度，方法与激光束a1的匹配步骤相同。激光束b2的横模模式与非简并两镜腔21的基模模式匹配之后，放开激光束a1，撤掉第六导光镜11、透镜组c22、非简并两镜腔21、第一透镜15和第一探测器18。最后，激光束a1和激光束b2同时经过光学分束器12，通过安装于第五导光镜10上的第一压电陶瓷13扫描上述两束激光的相对位相，由第二探测器19或者第三探测器20即可观察到两激光束的干涉曲线。为了便于观察干涉效率，这里调节两激光束的功率相等，干涉效率可达到99.5％。

上述实施例只是给出了最简单的利用三镜和两镜非简并光学腔调节两束激光干涉的方法，并没有描述所有的可能。实际上，还可以用其他非简并光学腔调节两束光的干涉，即为本发明所涵盖的范围。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种快速、精确地调节两束激光干涉的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、在两束激光发生干涉的光学分束器(12)的一臂上加入第六导光镜(11)，在第六导光镜(11)和第一探测器(18)之间放置一个非简并光学腔(3)；

2)、用透镜组a(4)变换激光束a(1)的横模尺寸，使激光束a(1)与非简并光学腔(3)的本征模实现模式匹配；

3)、用透镜组b(5)变换激光束b(2)的横模尺寸，使激光束b(2)与非简并光学腔(3)的本征模实现模式匹配；

4)、扫描上述两束激光的相对相位，由第二探测器(19)或第三探测器(20)观察并验证干涉效率。

所述的激光束a(1)与激光束b(2)的频率相同、偏振方向相同。

2.如权利要求1所述的一种快速、精确地调节两束激光干涉的方法，其特征在于，所述的非简并光学腔(3)是两镜腔、三镜腔或其它多镜腔。

3.如权利要求1所述的一种快速、精确地调节两束激光干涉的方法，其特征在于，在步骤2)和步骤3)实现模式匹配时所采用的透镜组是一个或者多个透镜的组合。