CN107300355B - 一种频谱产生装置、物理量变化量的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种频谱产生装置、物理量变化量的测量装置及测量方法，所述装置和方法采用结构紧凑的光学参量振荡器将光通信波段的连续单频激光转化为光通信波段的压缩态光场，有效降低了连续变量压缩态光场在光纤中传输时由于损耗引起的退相干效应，最大程度的保留了其压缩度在光纤中传输时不受破坏；并将光通信波段的压缩态光场注入光纤马赫‑曾德干涉仪的真空通道，实现低于散粒噪声极限的量子精密测量，提高光纤马赫‑曾德干涉仪测量的灵敏度。另外本发明所述的装置结构灵巧、抗干扰能力强、灵敏度高，更加适用于微小物理量变化量的测量。

Description

一种频谱产生装置、物理量变化量的测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及连续变量量子光学和量子精密测量技术领域，特别是涉及一种频谱产生装置、物理量变化量的测量装置及测量方法。

背景技术

量子精密测量是现代科技的重要基础之一，量子精密测量主要研究如何利用量子效应及技术提高物理量的测量精度。对任何物理量的测量过程都会伴随着噪声，包括系统的经典噪声和量子噪声，这些噪声限制了测量精度。经典噪声主要来源于技术缺陷、仪器的不理想等因素。随着科学技术的发展，系统的经典噪声大大降低，常常可以忽略不计，由量子力学性质决定的量子噪声逐渐成为主要的噪声来源。

在经典光学测量中，即使不考虑测量系统的经典噪声的影响，其测量精度仍会受到电磁场的真空起伏引起的量子噪声的这一极限限制。因而在过去的几年间，如何压缩测量系统的量子噪声从而超越经典方案的测量精度，是精密测量和量子信息技术领域亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种频谱产生装置、物理量变化量的测量装置及测量方法，能够实现量子精密测量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种用于测量物理量变化量的频谱产生装置，所述频谱产生装置包括：光纤激光器、倍频器、参考光模清洁器、泵浦光模清洁器、光学参量振荡器、腔长锁定系统、晶体温度控制器、分束平面镜、双色平面镜、45°高反平面镜、光纤马赫-曾德干涉仪和平衡零拍探测系统；

所述光纤激光器用于产生光通信波段的连续单频激光；

所述倍频器设置在所述光纤激光器的第一出射光路上；

所述泵浦光模清洁器设置在所述倍频器的出射光路上，用于对倍频后的所述连续单频激光进行过滤和降噪处理，获得泵浦光场；

所述双色平面镜设置在所述泵浦光模清洁器的出射光路上，用于将所述泵浦光场反射至所述光学参量振荡器；

所述光学参量振荡器设置在所述双色平面镜的反射光路上，用于根据所述泵浦光场产生压缩态光场；

所述晶体温度控制器与所述光学参量振荡器连接，用于控制所述光学参量振荡器中的晶体温度；

所述参考光模清洁器设置在所述光纤激光器的第二出射光路上，用于对所述连续单频激光进行过滤和降噪处理，获得参考光场；

所述分束平面镜设置在所述参考光模清洁器的出射光路上，用于对所述参考光场进行反射和透射，分别产生第一反射参考光和第一透射参考光；

所述腔长锁定系统设置在所述分束平面镜的反射光路上，用于对所述第一反射参考光进行透射，得到第二透射参考光；

所述光学参量振荡器还设置在所述腔长锁定系统的透射光路上，用于对所述第二透射参考光进行反射，产生第二反射参考光；

所述腔长锁定系统还设置在所述光学参量振荡器的反射光路上，用于接收所述第二反射参考光；所述腔长锁定系统还与所述光学参量振荡器连接，用于根据所述第二反射参考光对所述光学参量振荡器进行腔长锁定；

所述45°高反平面镜设置在所述分束平面镜的透射光路上，用于对所述第一透射参考光进行反射，产生本底振荡光场；

所述光纤马赫-曾德干涉仪设置在所述光学参量振荡器的出射光路以及所述45°高反平面镜的反射光路上，用于使所述压缩态光场和所述本底振荡光场发生干涉，产生干涉信号；

所述平衡零拍探测系统设置在所述光纤马赫-曾德干涉仪的出射光路上，用于根据所述干涉信号产生被测物理量变化量的频谱。

可选的，所述光学参量振荡器由平凹光学镜片和二阶非线性晶体组成；

所述平凹光学镜片设置在所述双色平面镜的反射光路上，用于将所述泵浦光场透射至所述二阶非线性晶体内部；

所述二阶非线性晶体设置在所述平凹光学镜片的透射光路上，用于根据所述泵浦光场产生所述压缩态光场；

所述二阶非线性晶体还设置在所述腔长锁定系统的透射光路上，所述二阶非线性晶体一端为凸面，另一端为平面；所述凸面用于对所述第二透射参考光进行反射，产生所述第二反射参考光。

可选的，所述腔长锁定系统包括隔离器、第一光电探测器、锁相放大器、比例积分控制器和高压放大器；

所述隔离器设置在所述分束平面镜的反射光路上，用于对所述第一反射参考光进行透射，得到所述第二透射参考光；

所述隔离器还设置在所述二阶非线性晶体的所述凸面的反射光路上，用于对所述第二反射参考光进行反射，得到第三反射参考光；

所述第一光电探测器设置在所述隔离器的反射光路上，用于将所述第三反射参考光转换为电信号；

所述锁相放大器的信号输入端与所述第一光电探测器的信号输出端连接，用于根据所述电信号产生误差信号和调制信号；

所述比例积分控制器的信号输入端与所述锁相放大器的误差信号输出端连接，用于对所述误差信号进行比例积分控制，获得误差调节信号；

所述高压放大器的第一信号输入端与所述比例积分控制器的信号输出端连接，所述高压放大器的第二信号输入端与所述锁相放大器的调制信号输出端连接，用于根据所述调制信号和所述误差调节信号获得腔长锁定信号；

所述平凹光学镜片上设置有第一压电陶瓷；所述高压放大器的信号输出端与所述第一压电陶瓷的信号控制端连接，用于根据所述腔长锁定信号对所述光学参量振荡器进行腔长锁定。

可选的，所述光纤马赫-曾德干涉仪包括第一保偏2×2光纤耦合器、保偏光纤、第二压电陶瓷和第二保偏2×2光纤耦合器；

所述第一保偏2×2光纤耦合器设置在所述光学参量振荡器的出射光路以及所述45°高反平面镜的反射光路上；所述压缩态光场耦合进入所述第一保偏2×2光纤耦合器的第一输入端；所述本底振荡光场耦合进入所述第一保偏2×2光纤耦合器的第二输入端；

所述保偏光纤包括第一保偏光纤和第二保偏光纤；所述第一保偏2×2光纤耦合器的第一输出端通过所述第一保偏光纤与所述第二保偏2×2光纤耦合器的第一输入端连接；所述第一保偏2×2光纤耦合器的第二输出端通过所述第二保偏光纤与所述第二保偏2×2光纤耦合器的第二输入端连接；

所述第二压电陶瓷的外围由所述第二保偏光纤缠绕，用于控制所述光纤马赫-曾德干涉仪两臂的相对位相。

可选的，所述平衡零拍探测系统包括第二光电探测器、第三光电探测器、减法器和频谱分析仪；

所述第二光电探测器的输入端与所述第二保偏2×2光纤耦合器的第一输出端连接；

所述第三光电探测器的输入端与所述第二保偏2×2光纤耦合器的第二输出端连接；

所述第二光电探测器的信号输出端与所述减法器的第一输入端连接；所述第三光电探测器的信号输出端与所述减法器的第二输入端连接；所述减法器的输出端与所述频谱分析仪的输入端连接。

本发明还公开了一种物理量变化量的测量装置，所述测量装置包括待测物、频谱产生装置和计算机；

所述待测物以设定形式设置在所述频谱产生装置上；

所述频谱产生装置包括光纤激光器、倍频器、参考光模清洁器、泵浦光模清洁器、光学参量振荡器、腔长锁定系统、晶体温度控制器、分束平面镜、双色平面镜、45°高反平面镜、光纤马赫-曾德干涉仪和平衡零拍探测系统；

所述光纤激光器用于产生光通信波段的连续单频激光；

所述倍频器设置在所述光纤激光器的第一出射光路上；

所述泵浦光模清洁器设置在所述倍频器的出射光路上，用于对倍频后的所述连续单频激光进行过滤和降噪处理，获得泵浦光场；

所述双色平面镜设置在所述泵浦光模清洁器的出射光路上，用于将所述泵浦光场反射至所述光学参量振荡器；

所述光学参量振荡器设置在所述双色平面镜的反射光路上，用于根据所述泵浦光场产生压缩态光场；

所述晶体温度控制器与所述光学参量振荡器连接，用于控制所述光学参量振荡器中的晶体温度；

所述参考光模清洁器设置在所述光纤激光器的第二出射光路上，用于对所述连续单频激光进行过滤和降噪处理，获得参考光场；

所述分束平面镜设置在所述参考光模清洁器的出射光路上，用于对所述参考光场进行反射和透射，分别产生第一反射参考光和第一透射参考光；

所述腔长锁定系统设置在所述分束平面镜的反射光路上，用于对所述第一反射参考光进行透射，得到第二透射参考光；

所述光学参量振荡器还设置在所述腔长锁定系统的透射光路上，用于对所述第二透射参考光进行反射，产生第二反射参考光；

所述腔长锁定系统还设置在所述光学参量振荡器的反射光路上，用于接收所述第二反射参考光；所述腔长锁定系统还与所述光学参量振荡器连接，用于根据所述第二反射参考光对所述光学参量振荡器进行腔长锁定；

所述45°高反平面镜设置在所述分束平面镜的透射光路上，用于对所述第一透射参考光进行反射，产生本底振荡光场；

所述光纤马赫-曾德干涉仪设置在所述光学参量振荡器的出射光路以及所述45°高反平面镜的反射光路上，用于使所述压缩态光场和所述本底振荡光场发生干涉，产生干涉信号；

所述平衡零拍探测系统设置在所述光纤马赫-曾德干涉仪的出射光路上，用于根据所述干涉信号产生被测物理量变化量的频谱；

所述计算机与所述平衡零拍探测系统连接，用于对所述被测物理量变化量的频谱进行分析和处理，获得所述待测物产生的物理量变化量。

本发明还公开了一种物理量变化量的测量方法，所述测量方法应用于一种物理量变化量的测量装置，所述物理量变化量的测量装置包括：待测物、光纤激光器、倍频器、参考光模清洁器、泵浦光模清洁器、光学参量振荡器、腔长锁定系统、晶体温度控制器、分束平面镜、双色平面镜、45°高反平面镜、光纤马赫-曾德干涉仪、平衡零拍探测系统和计算机；

所述测量方法包括：

获取光通信波段的连续单频激光；

对所述光通信波段的连续单频激光进行倍频处理，获得倍频后的所述连续单频激光；

对所述倍频后的所述连续单频激光进行过滤和降噪处理，获得泵浦光场；

对所述光通信波段的连续单频激光进行过滤和降噪处理，获得参考光场；

根据所述泵浦光场和所述参考光场获得真空压缩态光场；

对所述参考光场进行相位调制，获得本底振荡光场；

根据所述真空压缩态光场和所述本底振荡光场获得所述待测物产生的物理量变化量。

可选的，所述根据所述泵浦光场和所述参考光场获得真空压缩态光场，具体包括：

根据所述参考光场进行腔长锁定；

对所述泵浦光场进行光学谐振，产生信号光场和闲置光场；

控制所述信号光场和所述闲置光场的反应温度为简并点，同时将所述泵浦光场的功率控制在阈值以下，获得所述真空压缩态光场。

可选的，所述根据所述参考光场进行腔长锁定，具体包括：

获取所述参考光场的反射光；

将所述反射光转换为电信号；

对所述电信号进行正弦相位调制后获得调制信号；

对所述电信号和所述调制信号进行混频、解调和滤波，获得误差信号；

对所述误差信号进行比例积分控制，获得误差调节信号；

根据所述调制信号和所述误差调节信号获得腔长锁定信号；

对所述腔长锁定信号进行高压信号放大，获得放大后的腔长锁定信号；

根据所述放大后的腔长锁定信号进行腔长锁定。

可选的，所述根据所述真空压缩态光场和所述本底振荡光场获得所述待测物产生的物理量变化量，具体包括：

将所述真空压缩态光场和所述本底振荡光场进行干涉后产生的两路光束转化为两路交流电信号；

根据所述两路交流信号获得被测物理量变化量的频谱；

根据所述被测物理量变化量的频谱获得所述待测物产生的物理量变化量。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种频谱产生装置、一种物理量变化量的测量装置及测量方法，所述装置和方法采用光通信波段的连续单频激光，采用结构紧凑的光学参量振荡器将所述光通信波段的连续单频激光转化为光通信波段的压缩态光场，有效降低了连续变量压缩态光场在光纤中传输时由于损耗引起的退相干效应，最大程度的保留了其压缩度在光纤中传输时不受破坏；并将光通信波段的压缩态光场注入光纤干涉仪的真空通道，所述光通信波段的压缩态光场具有在某一个正交分量上的噪声起伏低于散粒噪声基准的特性，可以实现低于散粒噪声极限的量子精密测量，提高光纤马赫-曾德干涉仪测量的灵敏度；并且本发明所述的测量装置结构灵巧、抗干扰能力强、灵敏度高，更加适用于微小物理量变化量的测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的频谱产生装置的结构示意图；

图2为采用本发明的频谱产生装置测量微小相位信号的实验装置图；

图3为本发明中的光学参量振荡器在实验测量过程中功率在阈值以下时输出真空场的高频噪声功率谱；

图4为本发明中的光学参量振荡器在实验测量过程中功率在阈值以下时输出真空场的低频噪声功率谱；

图5为本发明中的光纤马赫-曾德干涉仪在有、无真空压缩态光场注入的情况下，干涉仪测量到的高频相位信号；

图6为本发明中的光纤马赫-曾德干涉仪在有、无真空压缩态光场注入的情况下，干涉仪测量到的低频相位信号；

图7为本发明实施例公开的物理量变化量的测量方法的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种频谱产生装置、一种物理量变化量的测量装置及测量方法。所述装置和方法采用一个简并光学参量振荡器制备光通信波段连续变量压缩态光场，并将该压缩态光场注入全光纤结构的马赫-曾德干涉仪，以提高马赫-曾德干涉仪的测量精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例公开的频谱产生装置的结构示意图。

如图1所示的一种用于测量物理量变化量的频谱产生装置，所述频谱产生装置包括：光纤激光器101、倍频器102、参考光模清洁器103、泵浦光模清洁器104、光学参量振荡器105、腔长锁定系统106、晶体温度控制器107、分束平面镜108、双色平面镜109、45°高反平面镜110、光纤马赫-曾德干涉仪111和平衡零拍探测系统112。

所述光学参量振荡器105包括平凹光学镜片1051、二阶非线性晶体1052和第一压电陶瓷1053。

所述腔长锁定系统106包括隔离器1061、第一光电探测器1062、锁相放大器1063、比例积分控制器1064和高压放大器1065。

所述晶体温度控制器107包括晶体温度控制仪1071和炉子1072。

所述光纤马赫-曾德干涉仪111包括第一保偏2×2光纤耦合器1111、第一保偏光纤1112、第二保偏光纤1113、第二压电陶瓷1114、和第二保偏2×2光纤耦合器1115。

所述平衡零拍探测系统112包括第二光电探测器1121、第三光电探测器1122、减法器1123和频谱分析仪1124。

本发明实施例所述频谱产生装置的基本原理为：

采用光通信波段连续单频光纤激光器101作为激光光源，输出的激光一部分用于泵浦倍频器102，获得倍频后的连续单频激光。另一部分激光通过参考光模式清洁器103，过滤激光的空间模式、降低其额外噪声。倍频器102出射的连续单频激光通过泵浦光模式清洁器104，过滤激光的空间模式、降低其额外噪声。上述两部分激光通过双色平面镜109后，均注入半整块结构的简并光学参量振荡器105，分别作为半整块结构简并光学参量振荡器105的参考光场和泵浦光场。泵浦光场以垂直偏振方向入射到半整块结构简并光学参量振荡器105，该光束进入I类温度匹配周期极化二阶非线性晶体1052后通过由晶体温度控制仪1071精确控制晶体温度达到最佳温度匹配条件，当晶体温度为简并点时，光学谐振腔内泵浦光会产生频率简并偏振相同的信号光场和闲置光场。将泵浦光功率控制在光学参量振荡器的阈值以下时，光学参量振荡器105输出的光场为真空场。由于晶体中级联非线性效应的存在，输出的真空场起伏具有低于散粒噪声基准的量子特性，即真空压缩态。

半整块结构简并光学参量振荡器105输出的真空压缩态光场注入光纤马赫-曾德干涉仪111的第一保偏2×2光纤耦合器1111的一个输入端，用于填补光纤干涉仪的真空通道。另一路由本底振荡光场经过45°高反平面镜110耦合注入光纤马赫-曾德干涉仪111的第一保偏2×2光纤耦合器1111的另一输入端。两个输入端分别连接第一保偏光纤1112和第二保偏光纤1113分别作为干涉仪的两臂传输后接入第二保偏2×2光纤耦合器1115两个输入端；第二压电陶瓷1114的外围由第二保偏光纤1113缠绕，用于控制光纤马赫-曾德干涉仪两臂的相对位相。光场经过第二保偏2×2光纤耦合器1115输出端输出后，采用平衡零拍探测系统112测量输出光场的噪声起伏特性。

具体地，下面根据所述频谱产生装置的基本原理，对本发明实施例频谱产生装置的结构、连接关系及功能作更为详细的介绍。

如图1所示为一种用于测量物理量变化量的频谱产生装置。其中，所述光纤激光器101用于产生光通信波段的连续单频激光。

所述光通信波段的连续单频激光的中心波长为850nm、1310nm、1490nm或1550nm中的一种。优选的，本实施例中所述光纤激光器101产生1550nm光通信波段的连续单频激光，输出功率为2.2W。该波段的激光在光纤中传输损耗仅为0.2dB/km，将所述1550nm光通信波段的连续单频激光转化为1550nm光通信波段的连续变量压缩态光场，能够有效降低连续变量压缩态光场在光纤中传输时由于损耗引起的退相干效应。

所述倍频器102通过二阶非线性晶体周期极化铌酸锂(PPLN)的频率转换过程将所述1550nm的激光转换为775nm的激光输出，转换效率85％。

具体地，所述倍频器102设置在所述光纤激光器101的第一出射光路上，用于对所述连续单频激光进行倍频处理，产生倍频后的所述连续单频激光。所述倍频后的所述连续单频激光的中心波长为775nm。

所述参考光模清洁器103和所述泵浦光模清洁器104均为带宽为0.5MHz的无源谐振腔，用来过滤1550nm激光和775nm激光的强度噪声，使之均在分析频率4MHz处达到散粒噪声基准。

具体地，所述参考光模清洁器103设置在所述光纤激光器101的第二出射光路上，用于对所述连续单频激光进行过滤空间模式和降低额外噪声的处理，过滤所述连续单频激光的空间模式、降低所述连续单频激光的额外噪声后，获得参考光场。

具体地，所述泵浦光模清洁器104设置在所述倍频器102的出射光路上，用于对倍频后的所述连续单频激光进行过滤空间模式和降低额外噪声的处理，过滤所述倍频后的所述连续单频激光的空间模式、降低所述倍频后的所述连续单频激光的额外噪声后，获得泵浦光场。

所述分束平面镜108和所述双色平面镜109用于控制光的反射角度。

具体地，所述分束平面镜108设置在所述参考光模清洁器103的出射光路上，用于对所述参考光场进行反射和透射，分别产生第一反射参考光和第一透射参考光。

所述腔长锁定系统106的隔离器1061设置在所述分束平面镜108的反射光路上，用于对所述第一反射参考光进行透射，得到第二透射参考光。

具体地，所述双色平面镜109设置在所述泵浦光模清洁器104的出射光路上，用于将所述泵浦光场反射至所述光学参量振荡器105。

所述光学参量振荡器105设置在所述隔离器1061的透射光路和所述双色平面镜109的反射光路上，用于接收所述第二透射参考光和所述泵浦光场，分别作为半整块结构的所述光学参量振荡器105的参考光和泵浦光。

具体地，所述光学参量振荡器105包括平凹光学镜片1051和二阶非线性晶体1052。所述二阶非线性晶体1052为I类温度匹配周期极化晶体，优选为二阶非线性晶体周期极化磷酸氧钛钾(PPKTP)晶体。

所述二阶非线性晶体1052的一端为凸面，另一端为平面。所述平凹光学镜片1051的一端为平面，另一端为凹面。所述平凹光学镜片1051的凹面和所述二阶非线性晶体1052的平面正对，且所述平凹光学镜片1051的凹面到所述二阶非线性晶体1052的平面之间的距离小于所述平凹光学镜片1051的凹面到所述二阶非线性晶体1052的凸面之间的距离。

所述平凹光学镜片1051和所述二阶非线性晶体1052组成半整块结构的光学谐振腔，即法布里－珀罗腔结构。所述二阶非线性晶体1052的凸面作为半整块结构的光学谐振腔的输入耦合镜。泵浦光通过I类匹配的所述二阶非线性晶体1052的简并光学参量过程产生频率简并的压缩光。在本实施例中，由所述泵浦光场通过I类匹配的所述二阶非线性晶体1052的简并光学参量过程产生频率简并的压缩光。

具体地，所述平凹光学镜片1051设置在所述双色平面镜109的反射光路上，用于将以垂直偏振方向入射的所述泵浦光场透射至所述二阶非线性晶体1052内部。所述泵浦光通过半波片控制其偏振方向，使其以垂直偏振方向入射至所述平凹光学镜片1051。

所述平凹光学镜片1051的所述凹面的曲率半径为30mm，所述凹面镀有所述泵浦光和所述参考光的部分反射膜(R_775nm＝20％,T_1550nm＝13％)，即，所述凹面对于775nm波长的光具有20％的反射率，对于1550nm波长的光具有13％的透射率。

所述光学参量振荡器105是由一个平凹光学镜片1051和一端凸面的二阶非线性晶体周期极化磷酸氧钛钾(PPKTP)晶体1052构成的法布里－珀罗腔结构。

具体地，中心波长为775nm的所述泵浦光场首先到达所述平凹光学镜片1051。所述平凹光学镜片1051的所述凹面使得所述泵浦光场以80％的透射率耦合进入光学参量振荡腔中，作为光学谐振腔的泵浦光，实现近共振的状态。

所述二阶非线性晶体1052设置在所述平凹光学镜片1051的透射光路上，经所述平凹光学镜片1051透射的泵浦光场首先到达所述二阶非线性晶体1052的所述平面。所述平面镀有所述泵浦光和参考光的减反膜(R_1550nm&_775nm<0.01％)，即所述平面对于775nm和1550nm波长的光反射率均为0.01％。在所述二阶非线性晶体1052的所述平面上镀泵浦光和参考光减反膜的作用是减少晶体对光束的吸收损耗，进一步减小内腔损耗。

所述二阶非线性晶体1052与所述平凹光学镜片1051构成法布里－珀罗腔结构的光学谐振腔。所述泵浦光以99.9％的透射率通过所述二阶非线性晶体1052的所述平面后，在所述光学参量振荡器105的腔内双次穿过所述二阶非线性晶体1052，产生信号光和闲置光。产生的信号光与闲置光则在腔内共振，频率和偏振均简并，且频率与注入的所述参考光频率一致。

所述晶体温度控制器107包括晶体温度控制仪1071和炉子1072。所述二阶非线性晶体1052被放置在紫铜材料的炉子1072中，通过晶体温度控制仪1071实现晶体的精确控温。当所述二阶非线性晶体1052的温度被控制在37.0℃时，所述光学参量振荡器105工作在简并点，此时阈值为230mW。

通过所述晶体温度控制仪1071将I类准相位匹配非线性晶体稳定精确控制在简并温度点，此时满足最佳温度匹配。当所述光学参量振荡器105运转于所述阈值以上时，输出的信号光场与闲置光场的频率均为1550nm，偏振均为垂直偏振。当所述泵浦光的功率控制在所述阈值的一半或三分之二处时，测量光学参量振荡器105输出的下转换具有真空压缩的量子特性。

所述光学参量振荡器105还设置在所述隔离器1061的透射光路上，用于接收所述第二透射参考光作为半整块结构的所述光学参量振荡器105的参考光场。所述参考光场用来辅助调节所述光学参量振荡器105的模式匹配和经典增益以及锁定光学参量腔。将所述参考光场的注入功率调节至nW量级，利用所述腔长锁定系统106将所述光学参量振荡器105的腔长锁定在所述参考光场的共振频率上。

具体地，所述隔离器1061能够使得nW量级的参考光单向通过，同时用来提取出携带谐振腔信号的反射光用于锁腔。

所述二阶非线性晶体1052设置在所述隔离器1061的透射光路上，用于接收所述第二透射参考光。

所述第二透射参考光首先入射到所述二阶非线性晶体1052的凸面。所述二阶非线性晶体1052的凸面的曲率半径为12mm，所述凸面镀泵浦光和参考光高反膜(R_1550nm&775nm>99.9％)，即该镀膜面(所述凸面)对于775nm和1550nm波长的光均为99.9％的反射率。

一方面，所述凸面对所述第二透射参考光进行透射，产生第三透射参考光作为所述光学参量振荡器105的参考光场，用来辅助调节所述光学参量振荡器105的模式匹配和经典增益。

另一方面，所述凸面对所述第二透射参考光进行反射，产生所述第二反射参考光。所述凸面将99.9％的所述第二透射光反射回所述腔长锁定系统106，所述腔长锁定系统106根据所述第二反射参考光对所述光学参量振荡器105进行腔长锁定，将所述光学参量振荡器105的腔长锁定在所述参考光场的共振频率上。

具体地，所述腔长锁定系统106由隔离器1061、光电探测器1062、锁相放大器1063、比例积分控制器1064和高压放大器4065构成。

所述隔离器1061设置在所述凸面的反射光路上，用于对所述第二反射参考光进行反射，得到第三反射参考光。

所述隔离器1061透射的携带光学谐振腔信息的所述第三反射参考光，输入光电探测器。具体为，所述第一光电探测器1062设置在所述隔离器1061的反射光路上，用于将所述第三反射参考光转换为电信号。

所述锁相放大器1063的信号输入端与所述第一光电探测器1062的信号输出端连接，用于根据所述电信号产生误差信号和调制信号。具体为，所述锁相放大器1063内部产生一个26kHz的正弦调制信号，即所述调制信号。所述光电探测器1062探测到所述电信号，与所述锁相放大器1063内部的正弦调制信号混频解调滤波，得到判断光学参量振荡腔是否失谐的所述误差信号，用于反馈到锁腔回路中锁定腔长。

所述比例积分控制器1064的信号输入端与所述锁相放大器1063的误差信号输出端连接，用于对所述误差信号进行比例积分控制，获得误差调节信号。

所述高压放大器1065的第一信号输入端与所述比例积分控制器1064的信号输出端连接，所述高压放大器1065的第二信号输入端与所述锁相放大器1063的调制信号输出端连接，用于根据所述调制信号和所述误差调节信号获得腔长锁定信号。

所述平凹光学镜片1051上设置有第一压电陶瓷1053。所述高压放大器1065的信号输出端与所述第一压电陶瓷1053的信号控制端连接，用于根据所述腔长锁定信号对所述光学参量振荡器105进行腔长锁定，将所述光学参量振荡器105的腔长锁定在所述参考光场的共振频率上，使得腔长稳定处于共振不失谐的状态，以实现稳定输出压缩态光场。

在这一过程中，当中心波长为1550nm的所述第三透射参考光作为参考光注入时，此时所述光学参量振荡器105成为一个光学参量放大器。当所述光学参量振荡器105运转于所述阈值以上时，输出的信号光场与闲置光场的频率均为1550nm，偏振均为垂直偏振。

同时由于所述凸面对于1550nm波长的光为0.1％的透射率，因此此时所述参考光注入功率非常小，可以近似认为此时仍为简并光学参量振荡器。所述泵浦光场以垂直偏振方向入射到所述光学参量振荡器105，泵浦光进入I类温度匹配周期极化二阶非线性晶体1051后通过由晶体温度控制仪1071精确控制晶体温度达到最佳温度匹配条件。当晶体温度为简并点时，光学谐振腔内泵浦光会产生频率简并偏振相同的信号光场和闲置光场。此时将所述泵浦光功率控制在所述光学参量振荡器105的所述阈值以下时，所述光学参量振荡器105输出的光场为真空场，由于所述二阶非线性晶体1051中级联非线性效应的存在，输出真空场起伏具有低于散粒噪声基准的量子特性，即真空压缩态。即，当控制所述二阶非线性晶体1051的温度为简并点且所述光学参量振荡器105运转于所述阈值以下时，即输出所述真空压缩态光场。

由于所述平凹光学镜片1051的所述凹面对于1550nm波长的光具有13％的透射率，因此所述压缩态光场以13％的透射率从所述光学参量振荡器105输出。

再将所述光学参量振荡器105输出的所述真空压缩态光场和一束本底振荡光场注入光纤马赫-曾德干涉仪111，采用平衡零拍探测系统112测量输出光场的噪声起伏特性，就可以得到待测物理量变化量的频谱。具体为：

所述分束平面镜108设置在所述参考光模清洁器103的出射光路上，用于对所述参考光场进行反射和透射，分别产生第一反射参考光和第一透射参考光。

所述45°高反平面镜110设置在所述分束平面镜108的透射光路上，用于对所述第一透射参考光进行反射，产生本底振荡光场。所述45°高反平面镜110用于控制反射角度，使得所述本底振荡光场耦合进入所述第一保偏2×2光纤耦合器1111的输入端。

所述45°高反平面镜110粘有第三压电陶瓷1101。所述45°高反平面镜110连接的所述第三压电陶瓷1101用于控制所述压缩真空光场以及所述本底振荡光场的相对位相。

所述光纤马赫-曾德干涉仪111设置在所述光学参量振荡器105的出射光路以及所述45°高反平面镜110的反射光路上，用于使所述压缩态光场和所述本底振荡光场发生干涉，产生干涉信号。

具体的，所述光纤马赫-曾德干涉仪111包括第一保偏2×2光纤耦合器1111、第一保偏光纤1112、第二保偏光纤1113、第二压电陶瓷1114和第二保偏2×2光纤耦合器1115。

所述第一保偏2×2光纤耦合器1111设置在所述光学参量振荡器的出射光路以及所述45°高反平面镜110的反射光路上。所述压缩态光场耦合进入所述第一保偏2×2光纤耦合器1111的第一输入端。所述本底振荡光场耦合进入所述第一保偏2×2光纤耦合器1111的第二输入端。

所述第一保偏2×2光纤耦合器1111的第一输出端通过所述第一保偏光纤1112与所述第二保偏2×2光纤耦合器1115的第一输入端连接。所述第一保偏2×2光纤耦合器1111的第二输出端通过所述第二保偏光纤1113与所述第二保偏2×2光纤耦合器1115的第二输入端连接。

所述第二压电陶瓷1114的外围由所述第二保偏光纤1113缠绕，用于控制所述光纤马赫-曾德干涉仪111两臂的相对位相。

所述压缩态光场以及所述本底振荡光场分别由所述第一保偏2×2光纤耦合器1111的输入端注入，经过所述第一保偏光纤1112和第二保偏光纤1113传输后接入所述第二保偏2×2光纤耦合器1115的输入端，由所述第二保偏2×2光纤耦合器1115输出端输出后进行平衡零拍探测。

所述保偏光纤的长度可根据测量的需求调整其长度构成等臂或不等臂光纤马赫-曾德干涉仪111。优选的，所述光纤马赫-曾德干涉仪111的参考臂和测量臂均为10米长的保偏光纤。

所述压缩态光场和所述本底振荡光场在所述第二保偏2×2光纤耦合器1115发生干涉后输出，由所述平衡零拍探测系统112进行探测。输出的两路光束进入所述平衡零拍探测系统112的一对低噪声高增益的光电探测器，探测器的交流信号经过所述减法器1123输入频谱分析仪1124，电流差起伏谱即反应了干涉仪两臂位相差的变化。

具体的，所述平衡零拍探测系统112包括第二光电探测器1121、第三光电探测器1122、减法器1123和频谱分析仪1124。

所述第二光电探测器1121的输入端与所述第二保偏2×2光纤耦合器1113的第一输出端连接，所述第三光电探测器1122的输入端与所述第二保偏2×2光纤耦合器1113的第二输出端连接，分别用于接收所述第二保偏2×2光纤耦合器1113输出的两路光束，并将所述两路光束转化为两路交流电信号。

所述第二光电探测器1121的信号输出端与所述减法器1123的第一输入端连接，所述第三光电探测1122的信号输出端与所述减法器1123的第二输入端连接，用于对所述两路交流电信号作差，获得电流差。

所述频谱分析仪1124的输入端所述减法器1123的输出端连接，用于根据所述电流差获得待测物理量变化量的分析频谱。

本发明公开的一种用于测量物理量变化量的频谱产生装置，将获得的光通信波段压缩态光场低损耗耦合进入光纤，填补光纤马赫-曾德干涉仪111的暗通道，提高干涉仪的测量精度。并且所述频谱产生装置具有结构灵巧、抗干扰能力强和灵敏度高等优点，在连续变量压缩态光场在量子精密测量领域的实用化领域具有重要的应用价值。

图2为采用本发明的频谱产生装置测量微小相位信号的实验装置图。所述实验装置包括：光纤激光器101、倍频器102、参考光模清洁器103、泵浦光模清洁器104、光学参量振荡器105、腔长锁定系统106、晶体温度控制器107、分束平面镜108、双色平面镜109、45°高反平面镜110、光纤马赫-曾德干涉仪111、平衡零拍探测系统112和光纤相位调制器113。

所述光学参量振荡器105包括平凹光学镜片1051、二阶非线性晶体1052和第一压电陶瓷1053。

所述腔长锁定系统106包括隔离器1061、第一光电探测器1062、锁相放大器1063、比例积分控制器1064和高压放大器1065。

所述晶体温度控制器107包括晶体温度控制仪1071和炉子1072。

所述45°高反平面镜110粘有所述第三压电陶瓷1101。

所述光纤马赫-曾德干涉仪111包括第一保偏2×2光纤耦合器1111、第一保偏光纤1112、第二保偏光纤1113、第二压电陶瓷1114和第二保偏2×2光纤耦合器1115。

所述平衡零拍探测系统112包括第二光电探测器1121、第三光电探测器1122、减法器1123和频谱分析仪1124。

光纤马赫-曾德干涉仪111对于温度、折射率、磁场、电流和电压等的测量，都是待测物理量的变化引起了干涉仪测量臂的长度或者折射率引起干涉仪相位差的变化，通过测量相位差的变化从而得到待测物理量的变化。

如图2所示，在所述光纤马赫-曾德干涉仪111的测量臂加入光纤相位调制器113，精确控制其测量臂的相位变化。在没有所述真空压缩态光场注入和有所述真空压缩态光场注入的情况下比较干涉仪111测量到的相位信号的信噪比。

所述相位调制器113的调制频率分别设定在2MHz和200kHz。

图3为本发明中的光学参量振荡器在实验测量过程中功率在阈值以下时输出真空场的高频噪声功率谱。如图3所示，在分析频率为2MHz处，真空场起伏低于散粒噪声基准5dB。即本发明所述频谱产生装置在分析频率为2MHz处获得5dB的光通信波段真空压缩态光场。

图4为本发明中的光学参量振荡器在实验测量过程中功率在阈值以下时输出真空场的低频噪声功率谱。如图4所示，在分析频率为200kHz处，真空场起伏低于散粒噪声基准5dB。即本发明所述频谱产生装置在分析频率为200kHz处获得5dB的光通信波段真空压缩态光场。

图5为本发明中的光纤马赫-曾德干涉仪在有、无真空压缩态光场注入的情况下，干涉仪测量到的高频相位信号。如图5所示，频谱曲线501表示光纤马赫-曾德干涉仪在无真空压缩态光场注入的情况下，干涉仪测量到的高频相位信号。频谱曲线502表示本发明所述的光纤马赫-曾德干涉仪111在有真空压缩态光场注入的情况下，测量到的高频相位信号。可见，在频率为2MHz处，本发明所述频谱产生装置获得了1dB的信噪比提高。

图6为本发明中的光纤马赫-曾德干涉仪在有、无真空压缩态光场注入的情况下，干涉仪测量到的低频相位信号。如图6所示，频谱曲线601表示光纤马赫-曾德干涉仪在无真空压缩态光场注入的情况下，测量到的低频相位信号。频谱曲线602表示本发明所述的光纤马赫-曾德干涉仪111在有真空压缩态光场注入的情况下，测量到的低频相位信号。可见，在频率为200kHz处，本发明所述频谱产生装置获得了0.8dB的信噪比提高。

由此可见，本发明所述的一种用于测量物理量变化量的频谱产生装置在MHz和kHz级均能产生低于散粒噪声基准的压缩态光场，且在MHz和kHz级均获得了不同程度的信噪比提高。也就是说，本发明所述的一种用于测量物理量变化量的频谱产生装置对于MHz和kHz级的相位信号的测量均适用，有效提高了光纤马赫-曾德干涉仪的测量精度。

本发明还公开了一种物理量变化量的测量装置，所述测量装置包括待测物、频谱产生装置和计算机。

所述待测物以设定形式设置在所述频谱产生装置上。根据所述待测物的不同形式采用不同的设置方式。例如当所述待测物为液体时，可将所述待测物涂抹于所述光纤马赫-曾德干涉仪111的测量臂上。

所述频谱产生装置包括光纤激光器101、倍频器102、参考光模清洁器103、泵浦光模清洁器104、光学参量振荡器105、腔长锁定系统106、晶体温度控制器107、分束平面镜108、双色平面镜109、45°高反平面镜110、光纤马赫-曾德干涉仪111和平衡零拍探测系统112。

所述光学参量振荡器105包括平凹光学镜片1051、二阶非线性晶体1052和第一压电陶瓷1053。

所述腔长锁定系统106包括隔离器1061、第一光电探测器1062、锁相放大器1063、比例积分控制器1064和高压放大器1065。

所述晶体温度控制器107包括晶体温度控制仪1071和炉子1072。

所述45°高反平面镜110上粘有第三压电陶瓷1101。

所述光纤马赫-曾德干涉仪111包括第一保偏2×2光纤耦合器1111、第一保偏光纤1112、第二保偏光纤1113、第二压电陶瓷1114和第二保偏2×2光纤耦合器1115。

所述平衡零拍探测系统112包括第二光电探测器1121、第三光电探测器1122、减法器1123和频谱分析仪1124。

所述光纤激光器101用于产生光通信波段的连续单频激光。所述光通信波段的连续单频激光的中心波长为850nm、1310nm、1490nm或1550nm中的一种。优选的，本实施例中所述光纤激光器101产生1550nm光通信波段的连续单频激光，输出功率为2.2W。

所述倍频器102设置在所述光纤激光器101的第一出射光路上，用于对所述连续单频激光进行倍频处理，产生倍频后的所述连续单频激光。

所述泵浦光模清洁器103设置在所述倍频器102的出射光路上，用于对倍频后的所述连续单频激光进行过滤和降噪处理，得到泵浦光场。

所述双色平面镜109设置在所述泵浦光模清洁器104的出射光路上，用于将所述泵浦光场反射至所述光学参量振荡器105。

所述光学参量振荡器105设置在所述双色平面镜108的反射光路上，用于根据所述泵浦光场产生压缩态光场。

所述晶体温度控制器107与所述光学参量振荡器105连接，用于控制所述光学参量振荡器105中的晶体温度。

所述参考光模清洁器103设置在所述光纤激光器101的第二出射光路上，用于对所述连续单频激光进行过滤和降噪处理，得到参考光场。

所述分束平面镜108设置在所述参考光模清洁器103的出射光路上，用于对所述参考光场进行反射和透射，分别产生第一反射参考光和第一透射参考光。

所述腔长锁定系统106设置在所述分束平面镜108的反射光路上，用于对所述第一反射参考光进行透射，得到第二透射参考光。

所述光学参量振荡器105还设置在所述腔长锁定系统106的透射光路上，用于对所述第二透射参考光进行反射，产生第二反射参考光。

所述腔长锁定系统106还设置在所述光学参量振荡器105的反射光路上，用于接收所述第二反射参考光。所述腔长锁定系统106还与所述光学参量振荡器105连接，用于根据所述第二反射参考光对所述光学参量振荡器105进行腔长锁定。

所述45°高反平面镜110设置在所述分束平面镜108的透射光路上，用于对所述第一透射参考光进行反射，产生本底振荡光场。

所述光纤马赫-曾德干涉仪111设置在所述光学参量振荡器105的出射光路以及所述45°高反平面镜110的反射光路上，用于使所述压缩态光场和所述本底振荡光场发生干涉，产生干涉信号。

所述平衡零拍探测系统112设置在所述光纤马赫-曾德干涉仪111的出射光路上，用于根据所述干涉信号产生被测物理量变化量的频谱。

所述计算机与所述平衡零拍探测系统112连接，用于对所述被测物理量变化量的频谱进行分析和处理，获得所述待测物产生的物理量变化量。

本发明提供的一种物理量变化量的测量装置，采用光通信波段的连续单频激光，将所述光通信波段的连续单频激光转化为光通信波段的压缩态光场，并将光通信波段的压缩态光场注入光纤马赫-曾德干涉仪111的暗通道，有效降低了该波段连续变量压缩态光场在光纤中传输时由于损耗引起的退相干效应，最大程度的保留了其压缩度在光纤中传输时不受破坏，并且所述光通信波段的压缩态光场具有在某一个正交分量上的噪声起伏低于散粒噪声基准的特性，共同实现了量子级的精密测量。另外，本发明所述的测量装置还具有结构灵巧、抗干扰能力强、灵敏度高的优点。

图7为本发明实施例公开的物理量变化量的测量方法的方法流程图。

参见图7，一种物理量变化量的测量方法，所述测量方法应用于一种物理量变化量的测量装置，所述物理量变化量的测量装置包括：待测物、光纤激光器101、倍频器102、参考光模清洁器103、泵浦光模清洁器104、光学参量振荡器105、腔长锁定系统106、晶体温度控制器107、分束平面镜108、双色平面镜109、45°高反平面镜110、光纤马赫-曾德干涉仪111、平衡零拍探测系统112和计算机。其中所述光学参量振荡器105包括平凹光学镜片1051、二阶非线性晶体1052和第一压电陶瓷1053。所述腔长锁定系统106包括隔离器1061、第一光电探测器1062、锁相放大器1063、比例积分控制器1064和高压放大器1065。所述晶体温度控制器107包括晶体温度控制仪1071和炉子1072。所述45°高反平面镜110上粘有第三压电陶瓷1101。所述光纤马赫-曾德干涉仪111包括第一保偏2×2光纤耦合器1111、第一保偏光纤1112、第二保偏光纤1113、第二压电陶瓷1114和第二保偏2×2光纤耦合器1115。所述平衡零拍探测系统112包括第二光电探测器1121、第三光电探测器1122、减法器1123和频谱分析仪1124。

所述测量方法包括：

步骤701：获取光通信波段的连续单频激光。

所述光通信波段的连续单频激光的中心波长为850nm、1310nm、1490nm或1550nm中的一种。优选为1550nm光通信波段、输出功率为2.2W的连续单频激光。

步骤702：对所述光通信波段的连续单频激光进行倍频处理，获得倍频后的所述连续单频激光。

所述倍频后的所述连续单频激光的中心波长为775nm。

步骤703：对所述倍频后的所述连续单频激光进行过滤和降噪处理，获得泵浦光场。

所述步骤703具体为：对倍频后的所述连续单频激光进行过滤空间模式和降低额外噪声的处理，过滤所述倍频后的所述连续单频激光的空间模式、降低所述倍频后的所述连续单频激光的额外噪声后，获得泵浦光场。

步骤704：对所述光通信波段的连续单频激光进行过滤和降噪处理，获得参考光场。

所述步骤704具体为：对所述连续单频激光进行过滤空间模式和降低额外噪声的处理，过滤所述连续单频激光的空间模式、降低所述连续单频激光的额外噪声后，获得参考光场。

步骤705：根据所述泵浦光场和所述参考光场获得真空压缩态光场。

所述步骤705具体包括：

步骤7051：根据所述参考光场进行腔长锁定。

步骤7052：对所述泵浦光场进行光学谐振，产生信号光场和闲置光场。

步骤7053：控制所述信号光场和所述闲置光场的反应温度为简并点，同时将所述泵浦光场的功率控制在阈值以下，获得所述真空压缩态光场。

其中，所述步骤7051具体包括：

获取所述参考光场的反射光。

将所述反射光转换为电信号。

对所述电信号进行正弦相位调制后获得调制信号。

对所述电信号和所述调制信号进行混频、解调和滤波，获得误差信号。

对所述误差信号进行比例积分控制，获得误差调节信号。

根据所述调制信号和所述误差调节信号获得腔长锁定信号。

对所述腔长锁定信号进行高压信号放大，获得放大后的腔长锁定信号。

根据所述放大后的腔长锁定信号进行腔长锁定。

步骤706：对所述参考光场进行相位调制，获得本底振荡光场。

步骤707：根据所述真空压缩态光场和所述本底振荡光场获得所述待测物产生的物理量变化量。

所述步骤707具体包括：

将所述真空压缩态光场和所述本底振荡光场进行干涉后产生的两路光束转化为两路交流电信号。

根据所述两路交流信号获得被测物理量变化量的频谱。

根据所述被测物理量变化量的频谱获得所述待测物产生的物理量变化量。

本发明提供的一种物理量变化量的测量方法，采用光通信波段的连续单频激光，将所述光通信波段的连续单频激光转化为光通信波段的压缩态光场，并将光通信波段的压缩态光场注入光纤马赫-曾德干涉仪111的暗通道进行干涉，有效降低了该波段连续变量压缩态光场在光纤中传输时由于损耗引起的退相干效应，最大程度的保留了其压缩度在光纤中传输时不受破坏，进而用于量子精密测量。并且所述光通信波段的压缩态光场具有在某一个正交分量上的噪声起伏低于散粒噪声基准的特性，实现了量子级的精密测量。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种用于测量物理量变化量的频谱产生装置，其特征在于，所述频谱产生装置包括：光纤激光器、倍频器、参考光模清洁器、泵浦光模清洁器、光学参量振荡器、腔长锁定系统、晶体温度控制器、分束平面镜、双色平面镜、45°高反平面镜、光纤马赫-曾德干涉仪和平衡零拍探测系统；

所述光纤激光器用于产生光通信波段的连续单频激光；

所述倍频器设置在所述光纤激光器的第一出射光路上；

所述泵浦光模清洁器设置在所述倍频器的出射光路上，用于对倍频后的所述连续单频激光进行过滤和降噪处理，获得泵浦光场；

所述双色平面镜设置在所述泵浦光模清洁器的出射光路上，用于将所述泵浦光场反射至所述光学参量振荡器；

所述光学参量振荡器设置在所述双色平面镜的反射光路上，用于根据所述泵浦光场产生压缩态光场；所述光学参量振荡器包括平凹光学镜片和二阶非线性晶体；所述二阶非线性晶体的一端为凸面，另一端为平面；所述平凹光学镜片的一端为平面，另一端为凹面；所述平凹光学镜片的凹面和所述二阶非线性晶体的平面正对，且所述平凹光学镜片的凹面到所述二阶非线性晶体的平面之间的距离小于所述平凹光学镜片的凹面到所述二阶非线性晶体的凸面之间的距离；

所述二阶非线性晶体设置在所述平凹光学镜片的透射光路上，经所述平凹光学镜片透射的泵浦光场首先到达所述二阶非线性晶体的所述平面；所述泵浦光通过所述二阶非线性晶体的所述平面后，在所述光学参量振荡器的腔内双次穿过所述二阶非线性晶体，产生信号光和闲置光；产生的信号光与闲置光则在腔内共振，频率和偏振均简并，且频率与注入的所述参考光频率一致；当所述泵浦光的功率控制在阈值的一半或三分之二处时，测量光学参量振荡器输出的下转换具有真空压缩的量子特性；

所述二阶非线性晶体设置在隔离器的透射光路上，用于接收第二透射参考光；所述第二透射参考光首先入射到所述二阶非线性晶体的凸面；一方面，所述凸面对所述第二透射参考光进行透射，产生第三透射参考光作为所述光学参量振荡器的参考光场，用来辅助调节所述光学参量振荡器的模式匹配和经典增益；另一方面，所述凸面对所述第二透射参考光进行反射，产生所述第二反射参考光；所述凸面将所述第二透射光反射回所述腔长锁定系统，所述腔长锁定系统根据所述第二反射参考光对所述光学参量振荡器进行腔长锁定，将所述光学参量振荡器的腔长锁定在所述参考光场的共振频率上；

所述晶体温度控制器与所述光学参量振荡器连接，用于控制所述光学参量振荡器中的晶体温度；

所述参考光模清洁器设置在所述光纤激光器的第二出射光路上，用于对所述连续单频激光进行过滤和降噪处理，获得参考光场；

所述分束平面镜设置在所述参考光模清洁器的出射光路上，用于对所述参考光场进行反射和透射，分别产生第一反射参考光和第一透射参考光；

所述腔长锁定系统设置在所述分束平面镜的反射光路上，用于对所述第一反射参考光进行透射，得到第二透射参考光；

所述光学参量振荡器还设置在所述腔长锁定系统的透射光路上，用于对所述第二透射参考光进行反射，产生第二反射参考光；

所述腔长锁定系统还设置在所述光学参量振荡器的反射光路上，用于接收所述第二反射参考光；所述腔长锁定系统还与所述光学参量振荡器连接，用于根据所述第二反射参考光对所述光学参量振荡器进行腔长锁定；

所述45°高反平面镜设置在所述分束平面镜的透射光路上，用于对所述第一透射参考光进行反射，产生本底振荡光场；

所述光纤马赫-曾德干涉仪设置在所述光学参量振荡器的出射光路以及所述45°高反平面镜的反射光路上，用于使所述压缩态光场和所述本底振荡光场发生干涉，产生干涉信号；

所述平衡零拍探测系统设置在所述光纤马赫-曾德干涉仪的出射光路上，用于根据所述干涉信号产生被测物理量变化量的频谱。

2.如权利要求1所述的频谱产生装置，其特征在于，所述光学参量振荡器由平凹光学镜片和二阶非线性晶体组成；

所述平凹光学镜片设置在所述双色平面镜的反射光路上，用于将所述泵浦光场透射至所述二阶非线性晶体内部；

所述二阶非线性晶体设置在所述平凹光学镜片的透射光路上，用于根据所述泵浦光场产生所述压缩态光场；

所述二阶非线性晶体还设置在所述腔长锁定系统的透射光路上，所述二阶非线性晶体一端为凸面，另一端为平面；所述凸面用于对所述第二透射参考光进行反射，产生所述第二反射参考光。

3.如权利要求2所述的频谱产生装置，其特征在于，所述腔长锁定系统包括隔离器、第一光电探测器、锁相放大器、比例积分控制器和高压放大器；

所述隔离器设置在所述分束平面镜的反射光路上，用于对所述第一反射参考光进行透射，得到所述第二透射参考光；

所述隔离器还设置在所述二阶非线性晶体的所述凸面的反射光路上，用于对所述第二反射参考光进行反射，得到第三反射参考光；

所述第一光电探测器设置在所述隔离器的反射光路上，用于将所述第三反射参考光转换为电信号；

所述锁相放大器的信号输入端与所述第一光电探测器的信号输出端连接，用于根据所述电信号产生误差信号和调制信号；

所述比例积分控制器的信号输入端与所述锁相放大器的误差信号输出端连接，用于对所述误差信号进行比例积分控制，获得误差调节信号；

所述高压放大器的第一信号输入端与所述比例积分控制器的信号输出端连接，所述高压放大器的第二信号输入端与所述锁相放大器的调制信号输出端连接，用于根据所述调制信号和所述误差调节信号获得腔长锁定信号；

所述平凹光学镜片上设置有第一压电陶瓷；所述高压放大器的信号输出端与所述第一压电陶瓷的信号控制端连接，用于根据所述腔长锁定信号对所述光学参量振荡器进行腔长锁定。

4.如权利要求1所述的频谱产生装置，其特征在于，所述光纤马赫-曾德干涉仪包括第一保偏2×2光纤耦合器、保偏光纤、第二压电陶瓷和第二保偏2×2光纤耦合器；

所述第一保偏2×2光纤耦合器设置在所述光学参量振荡器的出射光路以及所述45°高反平面镜的反射光路上；所述压缩态光场耦合进入所述第一保偏2×2光纤耦合器的第一输入端；所述本底振荡光场耦合进入所述第一保偏2×2光纤耦合器的第二输入端；

所述保偏光纤包括第一保偏光纤和第二保偏光纤；所述第一保偏2×2光纤耦合器的第一输出端通过所述第一保偏光纤与所述第二保偏2×2光纤耦合器的第一输入端连接；所述第一保偏2×2光纤耦合器的第二输出端通过所述第二保偏光纤与所述第二保偏2×2光纤耦合器的第二输入端连接；

所述第二压电陶瓷的外围由所述第二保偏光纤缠绕，用于控制所述光纤马赫-曾德干涉仪两臂的相对位相。

5.如权利要求4所述的频谱产生装置，其特征在于，所述平衡零拍探测系统包括第二光电探测器、第三光电探测器、减法器和频谱分析仪；

所述第二光电探测器的输入端与所述第二保偏2×2光纤耦合器的第一输出端连接；

所述第三光电探测器的输入端与所述第二保偏2×2光纤耦合器的第二输出端连接；

所述第二光电探测器的信号输出端与所述减法器的第一输入端连接；所述第三光电探测器的信号输出端与所述减法器的第二输入端连接；所述减法器的输出端与所述频谱分析仪的输入端连接。

6.一种物理量变化量的测量装置，其特征在于，包括待测物、权利要求1-5任一项所述的频谱产生装置和计算机；

所述待测物以设定形式设置在所述频谱产生装置上；

所述频谱产生装置包括光纤激光器、倍频器、参考光模清洁器、泵浦光模清洁器、光学参量振荡器、腔长锁定系统、晶体温度控制器、分束平面镜、双色平面镜、45°高反平面镜、光纤马赫-曾德干涉仪和平衡零拍探测系统；

所述平衡零拍探测系统设置在所述光纤马赫-曾德干涉仪的出射光路上，用于根据所述干涉信号产生被测物理量变化量的频谱；

所述计算机与所述平衡零拍探测系统连接，用于对所述被测物理量变化量的频谱进行分析和处理，获得所述待测物产生的物理量变化量。

7.一种物理量变化量的测量方法，其特征在于，所述测量方法应用于权利要求6所述的一种物理量变化量的测量装置，所述物理量变化量的测量装置包括：待测物、光纤激光器、倍频器、参考光模清洁器、泵浦光模清洁器、光学参量振荡器、腔长锁定系统、晶体温度控制器、分束平面镜、双色平面镜、45°高反平面镜、光纤马赫-曾德干涉仪、平衡零拍探测系统和计算机；

所述测量方法包括：

获取光通信波段的连续单频激光；

对所述光通信波段的连续单频激光进行倍频处理，获得倍频后的所述连续单频激光；

对所述倍频后的所述连续单频激光进行过滤和降噪处理，获得泵浦光场；

对所述光通信波段的连续单频激光进行过滤和降噪处理，获得参考光场；

根据所述泵浦光场和所述参考光场获得真空压缩态光场；

对所述参考光场进行相位调制，获得本底振荡光场；

根据所述真空压缩态光场和所述本底振荡光场获得所述待测物产生的物理量变化量。

8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述根据所述泵浦光场和所述参考光场获得真空压缩态光场，具体包括：

根据所述参考光场进行腔长锁定；

对所述泵浦光场进行光学谐振，产生信号光场和闲置光场；

控制所述信号光场和所述闲置光场的反应温度为简并点，同时将所述泵浦光场的功率控制在阈值以下，获得所述真空压缩态光场。

9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述根据所述参考光场进行腔长锁定，具体包括：

获取所述参考光场的反射光；

将所述反射光转换为电信号；

对所述电信号进行正弦相位调制后获得调制信号；

对所述电信号和所述调制信号进行混频、解调和滤波，获得误差信号；

对所述误差信号进行比例积分控制，获得误差调节信号；

根据所述调制信号和所述误差调节信号获得腔长锁定信号；

对所述腔长锁定信号进行高压信号放大，获得放大后的腔长锁定信号；

根据所述放大后的腔长锁定信号进行腔长锁定。

10.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述根据所述真空压缩态光场和所述本底振荡光场获得所述待测物产生的物理量变化量，具体包括：

将所述真空压缩态光场和所述本底振荡光场进行干涉后产生的两路光束转化为两路交流电信号；

根据所述两路交流信号获得被测物理量变化量的频谱；

根据所述被测物理量变化量的频谱获得所述待测物产生的物理量变化量。