CN105116663A - 一种基于铷蒸汽中四波混频过程的多模量子光源实现装置 - Google Patents

一种基于铷蒸汽中四波混频过程的多模量子光源实现装置 Download PDF

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    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
    • G02F1/3536—Four-wave interaction

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  • Nonlinear Science (AREA)
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Abstract

本发明公开了一种基于铷蒸汽中四波混频过程的多模量子光源实现装置，钛宝石激光器发出的激光依次经过1/2波片和极化分束器后分为第一激光束和第二激光束；第一激光束依次射入声光调制器和1/4波片后依次反射回声光调制器并通过单模光纤生成探针光，第二激光束依次通过单模光纤、1/2波片、极化分束器、1/4波片和圆锥棱镜产生泵浦光，探针光和泵浦光在铷池中发生四波混频反应产生共轭光；泵浦光被格兰汤姆森棱镜消除，探针光从打孔反射镜中透过，共轭光被打孔反射镜反射，探针光和共轭光分别输入不同的探测器，探测器输出的电信号经过减法器后连接至频谱分析仪，分析得到量子压缩。本发明利用空间自由度实现超大尺度多模量子态。

Description

一种基于铷蒸汽中四波混频过程的多模量子光源实现装置
技术领域
本发明属于量子信息过程领域，特别涉及一种基于铷蒸汽中四波混频过程的多模量子光源实现装置。
背景技术
多组份量子态在量子光学和量子信息过程中有重要的作用。因此，许多小组一直都在努力实现多组份量子态，并且取得了一定的成就。实现连续变量多组份量子态的传统方法是用从光学参量振荡器中产生的单模压缩光束和多个分束镜来产生连续变量量子网络。这种产生连续变量多组份态的方法缺乏可扩展性，因为随着量子模数的增加实验装置会变得非常复杂。为了克服这一问题，一些小组提出用单个的多模非线性过程来实现连续变量多组份量子态，比如通过利用单个光束的不同空间区域，多个纵向或者时域模式来获得多组份量子态。最近，几个小组在频域和时域方面实现了超大尺度的量子网络。然而，还没有小组利用空间自由度来实现超大尺度量子态。
为了解决上述现有技术无法利用空间自由度实现超大尺度量子态的技术问题，本发明提出了一种基于铷蒸汽中四波混频过程的多模量子光源实现装置。
发明内容
本发明提出了一种基于铷蒸汽中四波混频过程的多模量子光源实现装置，钛宝石激光器发出的激光依次经过1/2波片和极化分束器后分为第一激光束和第二激光束；所述第一激光束依次射入声光调制器和1/4波片后依次反射回所述声光调制器，经过单模光纤转变为高斯光束生成探针光，所述探针光射入格兰激光棱镜并反射至铷池中；所述第二激光束依次通过单模光纤、1/2波片、极化分束器、1/4波片和圆锥棱镜产生泵浦光，所述泵浦光依次反射回所述极化分束器，所述泵浦光被所述极化分束器依次反射到所述格兰激光棱镜中，所述泵浦光透过所述格兰激光棱镜射入所述铷池；所述探针光和所述泵浦光在所述铷池中发生四波混频反应产生共轭光；所述探针光、泵浦光和所述共轭光透过1/2波片进入格兰汤姆森棱镜中，所述泵浦光被所述格兰汤姆森棱镜消除，所述探针光从打孔反射镜中透过，所述共轭光被所述打孔反射镜反射，所述探针光和所述共轭光分别输入不同的探测器，所述探测器输出的电信号经过减法器后连接至频谱分析仪，测得所述探针光与所述共轭光相减之后的信号低于标准量子极限，实现利用空间自由度产生超大尺度多模量子态。
本发明所述的基于铷蒸汽中四波混频过程的多模量子光源实现装置中，经所述圆锥棱镜产生的泵浦光在四波混频过程中获得了最高压缩度为-2.4dB的强度差压缩。
本发明所述的基于铷蒸汽中四波混频过程的多模量子光源实现装置中，所述声光调制器与射频信号发生器及放大器连接，所述射频信号发生器及所述放大器驱动所述声光调制器将所述第一激光束的频率单次频移1.521GHz。
本发明所述的基于铷蒸汽中四波混频过程的多模量子光源实现装置中，所述泵浦光与所述探针光的辐射角为8.5mrad。
本发明所述的基于铷蒸汽中四波混频过程的多模量子光源实现装置中，所述铷池的长度为12.5毫米，发生四波混频时的温度被加热至124摄氏度。
本发明所述的基于铷蒸汽中四波混频过程的多模量子光源实现装置中，所述格兰汤姆森棱镜的反射处设有光束收集器，用于收集未消除的剩余泵浦光。
本发明的有益效果在于：
本发明利用锥形辐射光束作为泵浦光利用85Rb原子双“∧”能级结构的非简并四波混频过程产生的单个高斯光束和一个锥形辐射光束之间具有量子关联,并且在实验上获得了-2.4dB的强度差压缩度。
本发明利用85Rb原子双“∧”能级结构的非简并四波混频过程产生单个高斯光束和一个锥形辐射光束之间具有量子关联，这两束光的强度差噪声低于标准量子极限。将泵浦光频率设定至85Rb原子D1线(5S1/2→5P1/2,795nm)蓝失谐1.4GHz处，远离85Rb原子的多普勒展宽，可以有效避免泵浦光自发辐射对探测结果的影响。本发明由于具有实验装置紧凑型、非相敏、易于扩展等特性，在量子信息和量子成像方面具有潜在的利用价值。
附图说明
图1是具体实施例中基于铷蒸汽中四波混频过程的多模量子光源实现装置的结构图。
图2是85Rb原子双“∧”结构及非简并四波混频过程。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
如图1所示，钛宝石激光器1发出一束波长为795nm功率为500mW的光，激光频率为85Rb原子D1线(5S1/2→5P1/2,795nm)蓝失谐1.4GHz。使用1/2波片3和极化分束器4将此激光束分为第一激光束和第二激光束。其中，第一激光束为水平偏振的光，光功率为50mW，第二激光束为垂直偏振的光，光功率为450mW。
第一激光束两次经过频率红移1.521GHz的声光调制器5和1/4波片6后功率为50μW，频率红移3.042GHz，并变成垂直偏振光。使用一个单模光纤7将第一激光束变成很好的高斯光束，并调节其功率至40μW作为探针光。
功率为450mW的第二激光也经过单模光纤7变成很好的高斯光束，然后再入射到一个锥形棱镜8产生功率为350mW、锥形辐射角为7.8mrad的锥形辐射光束，将产生的锥形辐射光束作为泵浦光。
分别使用透镜9将泵浦光和探针光的腰斑调节至330μm和240μm，使用格兰激光棱镜10使两束光在铷池11末端附近相交，在相交处泵浦光的辐射角为8.5mrad。将铷池11加热至124℃以提高铷蒸汽密度，增强铷池11的非线性效应。
如图2所示，5S1/2、5P1/2为85Rb原子的精细结构，F＝2、F＝3为精细结构5S1/2的超精细分裂，其能级差为3.036GHz。虚线所示为85Rb原子的虚能级。根据四波混频原理及上述实验条件，经过铷池11后探针光功率将被放大至54.2μW，根据相位匹配条件，在泵浦光的外部新产生同样为垂直偏振功率为76.5μW的辐射共轭光。
使用1/2波片3和消光比为105:1的格兰汤姆森棱镜12消去大部分泵浦光，剩余的泵浦光用光束收集器13挡住。由于探针光与共轭光为垂直偏振光，格兰汤姆森棱镜12不会对其产生影响。
将探针光从打孔反射镜14的中间穿过，共轭光在打孔反射镜14处反射，然后将探针光与共轭光分别注入到两个探测器15，由探测器15通过探测探针光和共轭光产生的电信号经过减法器16以后接至频谱分析仪17，频谱分析仪17对信号进行处理后输出信号的频率谱。将一束功率为130.7μW的相干光分为功率相等的两束光分别注入至两个探测器15，经减法器16和频谱分析仪17。频谱分析仪17用于进行处理后输出信号的频率谱。
通常将一束功率为探针光与共轭光功率之和的相干光分为功率相等的两束光分别注入至两个探测器15，经减法器16和频谱分析仪17，得到的即为标准量子极限。由于本实施例中频谱分析仪17测得到的探针光与共轭光相减之后的信号低于此标准量子极限，因此证明本发明实现了利用空间自由度产生超大尺度多模量子态。
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (6)

1.一种基于铷蒸汽中四波混频过程的多模量子光源实现装置，其特征在于，钛宝石激光器(1)发出的激光依次经过1/2波片和极化分束器后分为第一激光束和第二激光束；
所述第一激光束依次射入声光调制器(5)和1/4波片后依次反射回所述声光调制器(5)，经过单模光纤转变为高斯光束生成探针光，所述探针光射入格兰激光棱镜(10)并反射至铷池(11)中；
所述第二激光束依次通过单模光纤、1/2波片、极化分束器、1/4波片和圆锥棱镜(8)产生泵浦光，所述泵浦光依次反射回所述极化分束器，所述泵浦光被所述极化分束器依次反射到所述格兰激光棱镜(10)中，所述泵浦光透过所述格兰激光棱镜(10)射入所述铷池(11)；
所述探针光和所述泵浦光在所述铷池(11)中发生四波混频反应产生共轭光；
所述探针光、泵浦光和所述共轭光透过1/2波片进入格兰汤姆森棱镜(12)中，所述泵浦光被所述格兰汤姆森棱镜(12)消除，所述探针光从打孔反射镜(14)中透过，所述共轭光被所述打孔反射镜(14)反射，所述探针光和所述共轭光分别输入不同的探测器(15)，所述探测器(15)输出的电信号经过减法器(16)后连接至频谱分析仪(17)，测得所述探针光与所述共轭光相减之后的信号低于标准量子极限，实现利用空间自由度产生超大尺度多模量子态。
2.如权利要求1所述的基于铷蒸汽中四波混频过程的多模量子光源实现装置，其特征在于，经所述圆锥棱镜(8)产生的泵浦光在四波混频过程中获得了最高压缩度为-2.4dB的强度差压缩。
3.如权利要求1所述的基于铷蒸汽中四波混频过程的多模量子光源实现装置，其特征在于，所述声光调制器(5)与射频信号发生器及放大器连接，所述射频信号发生器及所述放大器驱动所述声光调制器(5)将所述第一激光束的频率单次频移1.521GHz。
4.如权利要求1所述的基于铷蒸汽中四波混频过程的多模量子光源实现装置，其特征在于，所述泵浦光与所述探针光的辐射角为8.5mrad。
5.如权利要求1所述的基于铷蒸汽中四波混频过程的多模量子光源实现装置，其特征在于，所述铷池(11)的长度为12.5毫米，发生四波混频时的温度被加热至124摄氏度。
6.如权利要求1所述的基于铷蒸汽中四波混频过程的多模量子光源实现装置，其特征在于，所述格兰汤姆森棱镜(12)的反射处设有光束收集器(13)，用于收集未消除的剩余泵浦光。
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