CN107678189A - 一种可快速精确调节两光学腔输出信号光干涉的装置 - Google Patents

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Abstract

一种可快速精确调节两光学腔输出信号光干涉的装置，包括激光器、第一光学腔、第二光学腔、第一分束单元和第二分束单元；还包括辅助光单元截获第二分束单元输出的第一基频光，将其作为辅助光输出至第二分束单元，经分束后分别沿着第一基频光和第二基频光的反向光路注入第一光学腔和第二光学腔。本发明通过将不易调节的两个光学腔输出信号光的干涉转换为一束辅助光分别与两个光学腔模式匹配的调节，干涉调节过程简便快速高效，精准度高；直接从现有光路导出辅助光源，无需引入新的光源元件，辅助光与原光路重合，装置整体结构简洁、成本低廉；利用一路辅助光同时实现两个光学腔输出的信号光整形为平行光，使得信号光在空间中的传输、整形更加方便。

Description

一种可快速精确调节两光学腔输出信号光干涉的装置
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种可快速精确调节两光学腔输出信号光干涉的装置。
背景技术
压缩态光场是将某个正交分量的量子噪声压缩到经典散粒噪声极限以下的一种非经典光场，由于其具有突破量子噪声限制的特点，被应用于提高精密光学测量、微弱引力波信号探测的灵敏度；此外，两束单模压缩光或者一束双模压缩光可以用来产生纠缠态光场，进而应用于量子计算、量子信息和量子通信的研究。平衡零拍探测装置是压缩态光场与纠缠态光场探测的有效方法，实验中需要将一束经过模式清洁器输出的本底光与压缩光在分光比为50/50的光学分束器上干涉输出；在单模压缩光合成纠缠态光场的实验中，需要将两个光学参量腔输出的两束压缩光在光学分束器上干涉输出。上述两种情况的干涉均是将两个光学腔产生的信号光在一个光学分束器上实现空间模式匹配。衡量光强相等的两光束空间模式匹配的程度用干涉效率表示，干涉效率的高低直接影响可探测到的压缩态或纠缠态光场的正交分量噪声水平。实际应用中，一般要求干涉效率达到99％以上，这就需要通过分束器BS之后两束信号光的传播方向完全重合、且光束的横模尺寸处处相等。
参考图1所示(不包括辅助光单元9)，是一种常用的通过调节两光学腔输出信号光干涉的装置，其工作原理如下：激光器0输出的激光经第一分束单元3分为光强相同的第一基频光1和第二基频光2，其中第一基频光1分别通过第一光束匹配单元5、第一光学腔a、第三光束匹配单元7，第二基频光2分别通过第二光束匹配单元6、第二光学腔b、第四光束匹配单元8，最终在第二分束单元4上实现干涉。实际应用中，干涉调节过程非常复杂繁琐，需要先固定一束基频光(以第一基频光1为例)的光斑尺寸，然后在第二基频光2的光路中通过调节第二光束匹配单元6以整形其横模尺寸，使第二基频光2在第二光学分束器处与第一基频光1的横模尺寸完全相同。光束匹配单元一般为透镜组结构，只能通过调整匹配透镜的焦距与其位置，才能调节基频光的横模尺寸。在此过程中，需要不断更换透镜来调节两束基频光的光束重合度；同时为了方便观察与计算干涉效率，还需调节两束基频光的功率相等或接近。这种方法不仅既耗时费力、调节难度高，而且还很难获得较高的干涉效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种结构简单、操作简便快捷、调节结果准确且精度高的可快速精确调节两光学腔输出信号光干涉的装置
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种可快速精确调节两光学腔输出信号光干涉的装置，包括激光器0、第一光学腔a、第二光学腔b、第一分束单元3和第二分束单元4，所述激光器0输出的激光经第一分束单元3分为光强相同的第一基频光1和第二基频光2，分别经过第一光学腔a和第二光学腔b，在第二分束单元4上实现干涉；还包括辅助光单元9，所述辅助光单元9可截获第一分束单元3输出的第一基频光1，将其作为辅助光90输出至第二分束单元4，并通过第二分束单元4分束后分别沿着第一基频光1和第二基频光2的反向光路注入第一光学腔a和第二光学腔b。
进一步，所述辅助光单元9包括第一折叠镜91、导光镜组和透光镜组，所述第一折叠镜91位于第一光学腔a的前方；所述第一折叠镜91处于第一位置时，用于导出第一分束单元3截获的第一基频光1以形成辅助光90，所述导光镜组和透光镜组用于将辅助光90输出至第二分束单元4；所述第一折叠镜91处于第二位置时，脱离第一基频光1的光路。
进一步，所述辅助光单元9还包括设置于第一折叠镜91一侧，用于观察辅助光90与第一光学腔a之间的模式匹配效率的第一探测器95。
进一步，所述辅助光单元9还包括设置于第二光学腔b前端的第二折叠镜96和第二探测器97；所述第二折叠镜96处于第一位置时，用于将第二光学腔b输出的辅助光90导入第二探测器97，通过第二探测器97观察辅助光90与第二光学腔b之间的模式匹配效率；所述第二折叠镜96处于第二位置时，脱离第二基频光2的光路。
进一步，所述第一折叠镜91和第二折叠镜96均为基频光反射镜。
进一步，所述导光镜组包括至少2片基频光反射镜(92、94)，所述透光镜组包括至少1片透镜93。
进一步，所述第一分束单元3或第二分束单元4是光学分束镜片，或者是波片与偏振分束棱镜的组合。
进一步，所述第一光学腔a或第二光学腔b的腔内设有非线性晶体，所述非线性晶体为PPKTP、PPLN、KTP、LBO、BBO或BIBO；或者，所述第一光学腔a或第二光学腔b的腔内没有设置非线性晶体。
进一步，所述第一光学腔a或第二光学腔b是两镜腔或多镜腔。
进一步，所述第二分束单元4的一侧还设有用于观察干涉效率的第三探测器41。
本发明一种可快速精确调节两光学腔输出信号光干涉的装置，通过将不易调节的两个光学腔输出信号光的干涉转换为一束辅助光分别与两个光学腔模式匹配的调节，一是干涉调节过程简便快速高效，精准度高；二是直接从现有光路导出辅助光源，无需引入新的光源元件，辅助光与原光路重合，装置整体结构简洁、成本低廉；三是利用一条辅助光路同时实现了两个光学腔输出的信号光整形为平行光，使得信号光在空间中的传输、整形更加方便。
附图说明
图1是本发明一种可快速精确调节两光学腔输出信号光干涉的装置的工作原理示意图；
图2是本发明一种可快速精确调节两光学腔输出信号光干涉的装置的一种实施方式的整体结构示意图；
图3是本发明一种可快速精确调节两光学腔输出信号光干涉的装置的另一种实施方式的整体结构示意图；
图4是图2所示实施方式中，通过第一探测器95观察到的第一基频光1的透射峰曲线；
图5是图3所示实施方式中，通过第一探测器95观察到的第一基频光1的透射峰曲线；
图6是图2或图3所示实施方式中，通过第三探测器41观察到的干涉曲线。
附图标记说明：0-激光器，1-第一基频光，2-第二基频光，3-第一分束单元，4第二分束单元，a-第一光学腔，a1-第一非线性晶体，a2-第一弯月形凹面镜，a3-第一压电陶瓷，b-第二光学腔，b1-第二非线性晶体，b2-第二弯月形凹面镜，b3-第二压电陶瓷，11-第一光隔离器，12-第一电光位相调制器，13-第四探测器，14-第一信号源，15-第一PDH稳频系统，21-第二光隔离器，22-第二电光位相调制器，23-第五探测器，24-第二信号源，25-第二PDH稳频系统，41-第三探测器，51-透镜组，52-导光镜组，61-透镜组，62-导光镜组，63-导光镜组，81-导光镜组，82-透镜组，71-透镜组，72-导光镜组，73-第三压电陶瓷，90-辅助光，91-第一折叠镜，92-基频光反射镜，93-透镜，94-基频光反射镜，95-第一探测器，96-第二折叠镜，97-第二探测器。
具体实施方式
以下结合附图1，进一步说明本发明一种可快速精确调节两光学腔输出信号光干涉的装置的具体实施方式。本发明一种可快速精确调节两光学腔输出信号光干涉的装置不限于以下实施例的描述。
实施例1
如图1所示，是本发明一种可快速精确调节两光学腔输出信号光干涉的装置的工作原理示意图，其发明构思是将不易调节的两个光学腔输出信号光的干涉转换为一束辅助光分别与两个光学腔模式匹配的调节。首先，采用放置在基频光光路中的透镜组整形基频光的参数，使基频光与光学腔实现模式匹配；然后，采用放置在辅助光光路中的透镜组整形辅助光的参数，使同一辅助光与两光学腔实现模式匹配；锁定两个光学腔的腔长至共振增强，获得两束信号光输出，由于基频光、辅助光和信号光具有相同的波长，依据光的可逆性原理，即实现了两个光学腔输出信号光的高效率干涉。本装置的工作原理具体如下：
激光器0输出的激光经过第一分束单元3分为第一基频光1和第二基频光2，分别通过第一光束匹配单元5和第二光束匹配单元6，进入第一光学腔a和第二光学腔b；第一光束匹配单元5与第一光学腔a之间插入辅助光单元9；辅助光单元9输出光束由第二分束单元4反射的光束，通过第三光束匹配单元7进入第一光学腔a；第二分束单元4透射光束经过第四光束匹配单元8进入第二光学腔b；辅助光单元9脱离第一基频光1，分别采用第一光学腔锁定回路15和第二光学腔锁定回路25锁定光学腔腔长，两个光学腔输出光束分别经过第三光束匹配单元7和第四光束匹配单元8由第二分束单元4耦合输出，获得两个光学腔输出信号光的干涉信号。
第一光隔离器11和第二光隔离器21分别用于隔离两个光学腔反射光以保护激光器0，避免反射光反馈至激光器0内造成损坏；第一信号源14、第二信号源24产生的正弦波信号分别加载到第一电光位相调制器12和第二电光位相调制器22，用于基频光信号的位相调制，使基频光产生载波边带，分别通过第四探测器13和第五探测器23转换为交流电信号送至第一锁定回路15和第二锁定回路25(可采用PDH稳频系统)，与调制器加载的正弦波电信号在锁定回路中混频产生误差信号，并反馈至光学谐振腔粘贴压电陶瓷的腔镜上，实现光学腔腔长的锁定。
第一基频光1和第二基频光2分别作为注入两个光学腔的入射信号光，首先，通过第一光束匹配单元5和第二光束匹配单元6调试两束信号光与两个光学腔实现空间模式匹配，由第四探测器13和第五探测器23观察其模式匹配效率。然后，第一光学腔a前插入辅助光单元9将第一基频光1转换为一束辅助光90用于高效、快速、高精度的干涉辅助调节，具体方式是将辅助光90通过第二分束单元4分束后，分别将辅助光90的反射光束和透射光束反向输入至第一光学腔a和第二光学腔b内，通过调整辅助光单元9和第三光束匹配单元7中的导光镜组合及透镜组，使辅助光90与第一光学腔a实现完全的模式匹配；再通过调整第四光束匹配单元8中的透镜组使辅助光90与第二光学腔b实现接近100％的模式匹配。之后，撤除辅助光单元9，锁定两个光学腔，输出的信号光注入第二分束单元4，分束单元输出光发生干涉入射至此单元中的光电探测器中，通过扫描第三光束匹配单元7中粘贴压电陶瓷的反射镜，由分束单元中安装的探测器观察干涉效率。最后，调节第三光束匹配单元7中的导光镜组，使得两信号光干涉度达到最大，依据光路的可逆性原理此时即实现了两束信号光接近100％的干涉效率。
实施例2
本实施例给出一种可快速精确调节两光学腔输出信号光干涉的装置的具体实施方式。如图2所示，1550nm单频激光器0输出基频光经第一光学分束器3分为两束，分别注入第一光学腔a和第二光学腔b，辅助光90反方向注入第一光学腔a和第二光学腔b用来产生二倍频光，对应波长为775nm。本实施例所述装置的输出信号光干涉的调节步骤如下：
首先，通过在第一基频光1光路中插入的导光镜组51和透镜组52(焦距分别为-50mm，100mm)，调节第一基频光1与光学腔a的模式匹配效率。扫描粘贴有第一压电陶瓷a3的第一弯月形凹面镜a2获得一个自由光谱区范围的透射峰曲线，通过第一探测器95观察并记录模式匹配效率，直至模式匹配效率达到99.5％以上，结果如图4所示；然后，翻起第一折叠镜91至实线所示位置，辅助光90经第一凸透镜93(焦距为50mm)整形为平行光，再经凸透镜71(焦距同样为50mm)聚焦在第一光学腔a腰斑处，通过调节透镜组71和导光镜组72(焦距为50mm)，使辅助光90与第一光学腔a的模式匹配效率达到99.5％以上；之后，参考以上步骤，调节第二基频光2和辅助光90与光学腔b模式匹配效率达到99.5％以上；最后，翻下第一折叠镜91、第二折叠镜96至虚线位置，第一光学腔a反射光由第一隔离器11反射输出至第四探测器13获得误差信号，采用第一PDH稳频系统15构成的锁定回路锁定光学腔a的腔长至共振点，同样锁定第二基频光2与第二光学腔b至共振腔长，分别输出第一信号光与第二信号光。微调节导光镜组72使两束信号光在第二分束镜4上的干涉效率达到99.5％以上，通过粘贴第三压电陶瓷73的导光镜组72扫描两束光相对位相，由第三探测器41观察干涉效率并记录，干涉效果如图6所示。
本实施例中，第一光学腔a与第二光学腔b具有相同的光学参数，此处仅以第一光学腔a为例进行介绍。第一光学腔由第一弯月形凹面镜a2和-第一非线性晶体a1组成。其中，第一非线性晶体a2为PPKTP晶体，尺寸为1*2*10mm，前端面凸面曲率半径为12mm，镀膜为HR1550nm/775nm，充当第一光学腔a的输入镜；后端面为平面，镀膜为AR1550/775。第一弯月形凹面镜a2曲率半径为30mm，凹面镀膜HT775nm、T1550＝13％，后端面镀膜AR1550/775，弯月形设计保证激光通过时不会改变光斑大小，有助于辅助光路的调节。第一光学腔a的总腔长为37mm，对应的基模腰斑半径30μm，基模腰斑位置距输入镜为2.8mm。第一电光位相调制器12和第二电光位相调制器32分别施加33MHz和34.5MHz的正弦波信号。
实施例3
本实施例给出一种可快速精确调节两光学腔输出信号光干涉的装置的另一种实施方式。如图3所示，参考实施例2，与实施例2的区别仅在于：第二光学腔b由两个平面镜(透射率均为1％)和一个曲率半径为R＝1m的凹面镜构成。其中，两平面镜内端面镀膜T1550＝1％，外端面镀膜AR1550，凹面镜内端面镀膜HR1550，外端面不镀膜。第二光学腔b的总腔长为420mm，对应的基模腰斑半径371μm，基模腰斑位置距输入镜为LC/2(其中，LC表示第二光学腔b的总腔长)。第一电光位相调制器12和第二电光位相调制器32分别施加33MHz和34.5MHz的正弦波信号。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种可快速精确调节两光学腔输出信号光干涉的装置，包括激光器、第一光学腔、第二光学腔、第一分束单元和第二分束单元，所述激光器输出的激光经第一分束单元分为光强相同的第一基频光和第二基频光，分别经过第一光学腔和第二光学腔，在第二分束单元上实现干涉，其特征在于：还包括辅助光单元，所述辅助光单元可截获第一分束单元输出的第一基频光，将其作为辅助光输出至第二分束单元，并通过第二分束单元分束后分别沿着第一基频光和第二基频光的反向光路注入第一光学腔和第二光学腔。
2.根据权利要求1所述的可快速精确调节两光学腔输出信号光干涉的装置，其特征在于：所述辅助光单元包括第一折叠镜、导光镜组和透光镜组，所述第一折叠镜位于第一光学腔的前方；所述第一折叠镜处于第一位置时，用于导出第一分束单元输出的第一基频光以形成辅助光，所述导光镜组和透光镜组用于将辅助光输出至第二分束单元；所述第一折叠镜处于第二位置时，脱离第一基频光的光路。
3.根据权利要求2所述的可快速精确调节两光学腔输出信号光干涉的装置，其特征在于：所述辅助光单元还包括设置于第一折叠镜一侧，用于观察辅助光与第一光学腔之间的模式匹配效率的第一探测器。
4.根据权利要求3所述的可快速精确调节两光学腔输出信号光干涉的装置，其特征在于：所述辅助光单元还包括设置于第二光学腔前端的第二折叠镜和第二探测器；所述第二折叠镜处于第一位置时，用于将第二光学腔输出的辅助光导入第二探测器，通过第二探测器观察辅助光与第二光学腔之间的模式匹配效率；所述第二折叠镜处于第二位置时，脱离第二基频光的光路。
5.根据权利要求4所述的可快速精确调节两光学腔输出信号光干涉的装置，其特征在于：所述第一折叠镜和第二折叠镜均为基频光反射镜。
6.根据权利要求2所述的可快速精确调节两光学腔输出信号光干涉的装置，其特征在于：所述导光镜组包括至少2片基频光反射镜，所述透光镜组包括至少1片透镜。
7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的可快速精确调节两光学腔输出信号光干涉的装置，其特征在于：所述第一分束单元或第二分束单元是光学分束镜片，或者是波片与偏振分束棱镜的组合。
8.根据权利要求7所述的可快速精确调节两光学腔输出信号光干涉的装置，其特征在于：所述第一光学腔或第二光学腔的腔内设有非线性晶体，所述非线性晶体为PPKTP、PPLN、KTP、LBO、BBO或BIBO；或者，所述第一光学腔或第二光学腔的腔内没有设置非线性晶体。
9.根据权利要求8所述的可快速精确调节两光学腔输出信号光干涉的装置，其特征在于：所述第一光学腔或第二光学腔是两镜腔或多镜腔。
10.根据权利要求9所述的可快速精确调节两光学腔输出信号光干涉的装置，其特征在于：所述第二分束单元的一侧还设有用于观察干涉效率的第三探测器。
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