CN107678223B - 一种可快速调节连续变量纠缠源信号光干涉的装置 - Google Patents

Abstract

一种可快速调节连续变量纠缠源信号光干涉的装置，包括激光器、第一光学参量腔、第二光学参量腔、第一分束单元和第二分束单元，还包括第一辅助光单元、第二辅助光单元、第一双色镜、第二双色镜及第三分束单元。本发明通过把调节光学参量腔中输出信号光束的模式匹配转化为调节泵浦光束模式匹配，一是将不易观察的微弱信号光干涉调节转换为光强较大的倍频光干涉的调节，具有调节精确、方便、直观等优点；二是调节干涉的光路完全利用了装置中现有的产生纠缠光的实际光路，无需额外引入新的激光元件，使得装置整体结构简洁、成本低廉；三是利用辅助光路同时实现了将两个光学参量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

一种可快速调节连续变量纠缠源信号光干涉的装置

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种可快速调节连续变量纠缠源信号光干涉的装置。

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。其中，两束单模信号光在分光比为50/50的光学分束器耦合是实现高质量纠缠态光场的一种有效方法，具体是将两个光学参量腔产生的信号光在一个光学分束器上以特定相位干涉输出，即调节两束信号光通过光学分束器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。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纠缠态光场的质量，一般要求达到99％以上。为了获得更低噪声的纠缠态光场输出，我们需要不断地提高光学参量腔的逃逸效率，其中最直接的办法是增加输出耦合镜对信号光的透射率。这就导致光学参量腔输出信号光的功率极其微弱(微瓦量级)。

参考图1所示(不包括第一辅助光单元104、第二辅助光单元107、第三分束单元115、第七光束匹配单元114及第八光束匹配单元116)，是一种常见的调节连续变量纠缠源信号光干涉的装置，其工作原理如下：激光器0输出的激光经第一分束单元100分为光强相同的第一基频光101和第二基频光102，其中第一基频光1分别通过第一光束匹配单元103、第一光学参量腔a、第二光束匹配单元105等装置，第二基频光102分别通过第三光束匹配单元106、第二光学参量腔b、第四光束匹配单元108等装置，最终在第二分束单元111上实现干涉。

实际应用中，干涉调节过程非常复杂和困难，需要首先固定一束基频光光斑尺寸，然后调整另外一束基频光光路中光束匹配单元的透镜组整形其横模尺寸，使其在第二光学分束器处与前者的横模尺寸完全相同。其困难在于：一是调整过程中，不仅需要不断更换透镜来调节两束基频光的光束重合度，操作费时费力；二是虽然可通过调整整形透镜的焦距与位置，调节信号光的横模尺寸，进而采用探片或CCD在多个位置观察两光束的重合，但是由于信号光的功率极其微弱，CCD与探片很难直接观察光斑大小，所以在模式匹配的过程中，只能通过观察干涉效率的变化来判断调节的效果，从而给操作带来极高的难度。

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调节连续变量纠缠源信号光干涉的装置

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种可快速调节连续变量纠缠源信号光干涉的装置，包括激光器0、第一光学参量腔a、第二光学参量腔b、第一分束单元100和第二分束单元111，所述激光器0输出的激光经第一分束单元100分为光强相同的第一基频光101和第二基频光102，分别经过第一光学参量腔a和第二光学参量腔b，在第二分束单元111上实现干涉。还包括第一辅助光单元104、第二辅助光单元107、第一双色镜109、第二双色镜113及第三分束单元115；所述第一辅助光单元104可截获第一分束单元101输出的第一基频光101，通过第一双色镜109反向输入至第一光学参量腔a，产生第一基频光101的第一倍频光117；所述第二辅助光单元107可截获第一分束单元101输出的第二基频光102，通过第二双色镜113反向输入至第二光学参量腔b，产生第二基频光102的第二倍频光118；所述第一倍频光117与第二倍频光118通过第二分束单元111耦合输出。

进一步，所述第一双色镜109和第二双色镜113均为对基频光高反、倍频光高透的镜片，或者是对基频光高透、倍频光高反的镜片。

进一步，所述第一辅助光单元104包括位于第一光学参量腔a的前方的第一折叠镜21；所述第一折叠镜21处于第一位置时，输出第一分束单元100输出的第一基频光101，并通过导光镜组和透光镜组输出至第一双色镜109；所述第一折叠镜处于第二位置时，脱离第一基频光101的光路；所述第二辅助光单元107包括位于第二光学参量腔b的前方的第二折叠镜44；所述第二折叠镜44处于第一位置时，输出第一分束单元100输出的第二基频光104，并通过导光镜组和透光镜组输出至第二双色镜113；所述第一折叠镜处于第二位置时，脱离第二基频光104的光路。

进一步，所述第一辅助光单元104还包括设置于第一折叠镜21一侧，用于观察第一倍频光117与第一光学参量腔a之间的模式匹配效率的第二探测器27；所述第二辅助光单元107还包括设置于第二折叠镜44一侧，用于观察第二倍频光118与第二光学参量腔b之间的模式匹配效率的第四探测器47。

进一步，所述第一折叠镜21和第二折叠镜44均为基频光反射镜。

进一步，所述第二分束单元111一侧还设有用于观察基频光干涉效率的第五探测器56；所述第三分束单元115一侧还设有用于观察倍频光干涉效率的第六探测器64。

进一步，所述第一分束单元100、第二分束单元111和第三分束单元115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，所述第一光学参量腔a和第二光学参量腔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。

进一步，所述第一光学参量腔a和第二光学参量腔b是两镜腔或多镜腔，且至少一片腔镜粘贴有用于改变腔长的压电陶瓷。

进一步，所述第一光学参量腔a和第二光学参量腔b通过由PDH稳频系统构成的锁定回路进行锁定。

本发明一种可快速调节连续变量纠缠源信号光干涉的装置，通过把调节光学参量腔中输出信号光束的模式匹配转化为调节泵浦光束模式匹配，一是将不易观察的微弱信号光干涉调节转换为光强较大的倍频光干涉的调节，具有调节精确、方便、直观等优点；二是调节干涉的光路完全利用了装置中现有的产生纠缠光的实际光路，无需额外引入新的激光元件，使得装置整体结构简洁、成本低廉；三是利用辅助光路同时实现了将两个光学参量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调节连续变量纠缠源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调节连续变量纠缠源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调节连续变量纠缠源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，光学参量腔输出的透射峰曲线；

图5是图2或图3所示实施方式中，倍频光或基频光的产生干涉曲线。

附图标记说明：0-激光器，100-第一分束单元，101-第一基频光，102-第二基频光，103-第一光束匹配单元，104-第一辅助光单元，105-第二光束匹配单元，106-第三光束匹配单元，107-第二辅助光单元，108-第四光束匹配单元，109-第一双色镜，110-第五光束匹配单元，111-第二分束单元，112-第六光束匹配单元，113-第二双色镜，114-第七光束匹配单元，115-第三分束单元，116-第八光束匹配单元，117-第一倍频光，118-第二倍频光，a-第一光学参量腔，b-第二光学参量腔，a1-第一非线性晶体，b1-第二非线性晶体，a2-第一弯月形凹面镜，b2-第二弯月形凹面镜，a3-第一压电陶瓷，b3-第二压电陶瓷，1-第一基频光，2-第一辅助光路，3-第二基频光，4-第二辅助光路，5-倍频光光路，5a-第一倍频光，5b-第二倍频光，6-信号光光路，6a-第一信号光，6b-第二信号光，11-第一隔离器，12-第一电光位相调制器，13-第一透镜组，14-第一导光镜组，15-第一锁腔探测器，21-第一折叠镜，22-高反镜，23-第一凸透镜，24-第二折叠镜，25-第一双色镜，26-第二凸透镜，27-第二探测器，31-第二隔离器，32-第二电光位相调制器，33-第三透镜组，34-第三导光镜组，35-第三锁腔探测器，41-第三折叠镜，42-高反镜，43-第三凸透镜，44-第四折叠镜，45-第二双色镜，46-第四凸透镜，47-第四探测器，51-第五导光镜组，52-第三压电陶瓷，53-第五透镜组，54-第一光学分束镜，55-第六透镜组，56-第五探测器，61-第六导光镜组，62-第四压电陶瓷，63-第七透镜组，64-第二光学分束镜，65-第八透镜组，66-第六探测器。

具体实施方式

以下结合附图1至5，进一步说明本发明一种可快速调节连续变量纠缠源信号光干涉的装置的具体实施方式。本发明一种可快速调节连续变量纠缠源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调节连续变量纠缠源信号光干涉的装置的工作原理示意图，其发明构思是把调节两个光学参量腔输出微弱信号光的干涉调节转化为调节两束泵浦光的干涉。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，使基频光与光学参量腔实现模式匹配；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，使辅助光与光学参量腔实现模式匹配，锁定光学参量腔的腔长至共振增强，获得辅助光的倍频光输出；之后，通过透镜组整形倍频光的参数使两束倍频光干涉达到99.5％以上；最后，在信号光光路中插入与倍频光光路相同的透镜组，并保证信号光与倍频光光路长度相等，即实现了两个光学参量腔输出信号光的高效率干涉。本装置的具体工作原理如下：

激光器0输出的激光经过第一分束单元100分为第一基频光101和第二基频光102，分别通过第一光束匹配单元103和第三光束匹配单元106，使其进入第一光学参量腔a和第二光学参量腔b；第一光束匹配单元103与第一光学参量腔a之间插入第一辅助光单元104；第一辅助光单元104输出的辅助光通过双色镜109进入第一光学参量腔a；由锁定回路锁定第一光学参量腔a腔长，产生第一基频光101的第一倍频光117。第三光束匹配单元106与第二光学参量腔b之间插入第二辅助光单元107；第二辅助光单元107输出的辅助光光通过双色镜113进入第二光学参量腔b；由锁定回路锁定第二光学参量腔b腔长，产生第二基频光102的第二倍频光118。第一倍频光117与第二倍频光118分别通过第五光束匹配单元110与第六光束匹配单元112由第二分束单元111耦合输出，实现两光束的干涉接近100％。

之后，撤除第一辅助光单元104与第二辅助光单元107，将第五光束匹配单元110完全复制到第七光束匹配单元114，第六光束匹配单元112完全复制到第八光束匹配单元116。锁定第一光学参量腔a与第二光学参量腔b获得两束信号光，经过双色镜109和113及第七光束匹配单元114与第八光束匹配单元116由第三分束单元115耦合输出，获得两个光学参量腔输出信号光即基频光的干涉信号。

其中，光隔离器11和31用于隔离两个光学参量腔反射信号、保护激光器，避免反射光反馈至激光器内，造成激光器损坏；信号源产生的正弦波信号加载到电光位相调制器12和32用于基频流电信号送至锁定回路，与调制器加载的本地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，实现光学参量腔腔长的锁定。

本实施例所述装置的具体调节操作方法如下：

首先，第一基频光1和第二基频光2分别作为注入两个光学参量腔的入射信号光(基频光)，通过第一光束匹配单元103和第三光束匹配单元106调试两束信号光与两个光学谐振腔实现空间模式匹配，由光电探测器15和35观察其模式匹配效率。

然后，在第一光学参量腔a前插入第一辅助光单元104，将第一基频光101转换为一束辅助光用于高效、快速、高精度的辅助调节光干涉，具体方法是将辅助光由双色镜109导入第一光学参量腔a，通过第一辅助光单元104和第二光束匹配单元105中的透镜组使辅助光与第一光学参量腔a实现接近100％的模式匹配；其中，模式匹配效率可通过扫描粘贴压电陶瓷的腔镜由光电探测器15观察；通过锁定回路锁定光学谐振腔，在位相匹配的条件下，由非线性晶体产生辅助光的倍频光117；倍频光117由双色镜109输出，经过第五光束匹配单元110整形准直后输入第二分束单元111。

再之后，参考上述操作，由第二光学参量腔b输出倍频光118，由双色镜113输出，经过第六光束匹配单元112整形准直后输入第二分束单元111，与倍频光117发生干涉；调节第五光束匹配单元110或第六光束匹配单元112中的光学透镜和可调镜架，实现两束倍频光干涉效率接近100％。

最后，将第五光束匹配单元110复制到第七光束匹配单元114，将第六光束匹配单元112复制到第八光束匹配单元116，并撤除第一辅助光单元104和第二辅助光单元107，锁定两个光学参量腔获得两束信号光输出；调节第七光束匹配单元114或第八光束匹配单元116中的可调镜架，使两束信号光进入第三分束单元115后完全重合，由分束单元115中安装的光电探测器观察干涉效率，直至干涉度最大，此时两束信号光的干涉效率即接近100％。

优选的，所述双色镜可以是对基频光高反、倍频光高透的镜片，也可以是对基频光高透、倍频光高反的镜片；所述第一分束单元100、第二分束单元111和第三分束单元115，一片具有一定分束比例的光学分束镜片，或者是波片与偏振分束棱镜的组合；所述锁定回路可以是PDH稳频，或者其它光学参量腔稳频电子伺服系统；所述多个匹配单元至少包含两个安装基频光高反镜的可调镜架和一片透镜；所述每个辅助光单元至少包含一片透镜和三个安装基频光反射镜的可调镜架；所述光学参量腔可以是腔内插入非线性晶体的欠耦合腔，也可以是两镜腔或多镜腔，且至少一片腔镜粘贴有用于改变腔长的压电陶瓷；所述非线性晶体可以是PPKTP，PPLN，KTP，LBO，BBO或BIBO，通过温度控制仪进行温度控制；所述粘贴压电陶瓷的反射镜可以安装于第七光束匹配单元或者第八光束匹配单元。

实施例2

本实施例给出一种可快速调节连续变量纠缠源信号光干涉的装置的一种实施方式。如图2所示，1550nm单频激光器输出基频光经光学分束器分为两束，分别注入第一光学参量腔a和第二光学参量腔b，辅助光由两参量腔反方向注入用来产生二倍频光，对应波长为775nm。两个两镜光学参量腔输出信号光干涉的调节步骤如下：首先，通过第一基频光1光路中插入的第一导光镜组14和第一透镜组13(焦距分别为-50mm，100mm)，调节第一基频光1与光学参量腔a的模式匹配效率。翻起第二折叠镜24，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，通过第二探测器27观察并记录模式匹配效率，结果如图4所示，模式匹配效率达到99.5％以上；其次，翻起第一折叠镜21和第二折叠镜24，第一辅助光2光路中经第一凸透镜23(焦距为50mm)整形为平行光，经第二凸透镜26(焦距为50mm)聚焦(与第一凸透镜23具有相同焦距)后焦点落在第一光学参量腔a腰斑处，通过调节第二折叠镜24和第一双色镜25(镀膜为一面HR1550nm/HT775nm，另一面AR1550nm/775nm)以及第二凸透镜26(焦距为50mm)，使得第一辅助光2与第一光学参量腔a的模式匹配效率达到99.5％以上；然后，第一光学参量腔a反射光由第一隔离器11反射输出打入第一锁腔探测器15获得误差信号，采用PDH锁定回路锁定光学参量腔a的腔长至共振点，调节第一非线性晶体a1温度满足相位匹配条件，获得第一辅助光2的第一倍频光5a；再然后，重复以上步骤，调节第二基频光3与第二辅助光4与光学参量腔b模式匹配效率达到99.5％以上，并锁定腔长获得第二倍频光5b输出；再则，通过第一倍频光5a和第二倍频光5b光路中插入的第五透镜组53(焦距分别为-50mm，100mm)和第六透镜组55(焦距分别为-50mm，100mm)以及第五导光镜组51调节两束光的干涉，使两束倍频光在第一50/50分束镜54上干涉效率达到99.5％以上，如图5所示，通过粘贴第三压电陶瓷52的导光镜扫描两束光相对位相，由第五探测器56观察并记录；最后，翻下第一折叠镜21、第二折叠镜24和第三折叠镜41、第四折叠镜44，锁定第一基频光1、第二基频光3与第一光学参量腔a、第二光学参量腔b至共振腔长，分别输出第一信号光6a与第二信号光6b(由第一双色镜25和第二双色镜45反射)。信号光光路中分别搭建与第一倍频光5a和第二倍频光5b相同光路长度和相同参数的透镜组63和透镜组65，调节第六导光镜组61使两束信号光在第二50/50分束镜64上的干涉效率达到99.5％以上，由第六探测器66观察干涉效率。

光路中，第一光学参量腔a与第二光学参量腔b具有相同的光学参数，以第一光学参量腔a为例进行介绍。第一光学参量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，充当第一光学参量腔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。第一光学参量腔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调节连续变量纠缠源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：所采用的光学参量腔不同。本实施例中，第一光学参量腔a与第二光学参量腔b具有相同的光学参数，这里以第一光学参量腔a为例进行介绍。第一光学参量腔a由两个凹面镜、两个平面镜和一块PPKTP晶体a1组成。其中，一个平面镜作为输入镜，内表面镀膜HR1550nm/775nm，外端面镀膜AR1550nm/775nm；另一个平面镜内端面为HR1550/775，外端面不镀膜；两个凹面镜的曲率半径均为100mm，其中第一弯月形凹面镜a2内表面镀膜T775＝25％/T1550＝13％，外端面镀膜AR1550/775，弯月形输出镜不会改变光斑的大小，有助于调节辅助光路；另一个凹面镜内端面为HR1550/775，外端面不镀膜；第一光学参量腔a的总腔长为622.8mm，两凹面镜之间的距离为108mm，对应的本征模半径为25μm，第一PPKTP非线性晶体a1尺寸为1*2*10mm，位于两个凹面镜的中间，即腔的腰斑位置处。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 (8)

1.一种可快速调节连续变量纠缠源信号光干涉的装置，包括激光器、第一光学参量腔、第二光学参量腔、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，分别经过第一光学参量腔和第二光学参量腔，在第二分束单元上实现干涉，其特征在于：还包括第一辅助光单元、第二辅助光单元、第一双色镜、第二双色镜及第三分束单元；

所述第一辅助光单元可截获第一分束单元输出的第一基频光，通过第一双色镜反向输入至第一光学参量腔，产生第一基频光的第一倍频光；

所述第二辅助光单元可截获第一分束单元输出的第二基频光，通过第二双色镜反向输入至第二光学参量腔，产生第二基频光的第二倍频光；

所述第一倍频光与第二倍频光通过第二分束单元耦合输出；

其中，所述第一双色镜和第二双色镜均为对基频光高反、倍频光高透的镜片，或者是对基频光高透、倍频光高反的镜片；

其中，所述第一辅助光单元包括位于第一光学参量腔的前方的第一折叠镜；所述第一折叠镜处于第一位置时，输出第一分束单元输出的第一基频光，并通过导光镜组和透光镜组输出至第一双色镜；所述第一折叠镜处于第二位置时，脱离第一基频光的光路；

所述第二辅助光单元包括位于第二光学参量腔的前方的第二折叠镜；所述第二折叠镜处于第一位置时，输出第一分束单元输出的第二基频光，并通过导光镜组和透光镜组输出至第二双色镜；所述第一折叠镜处于第二位置时，脱离第二基频光的光路。

2.根据权利要求1所述的可快速调节连续变量纠缠源信号光干涉的装置，其特征在于：

所述第一辅助光单元还包括设置于第一折叠镜一侧，用于观察第一倍频光与第一光学参量腔之间的模式匹配效率的第二探测器；

所述第二辅助光单元还包括设置于第二折叠镜一侧，用于观察第二倍频光与第二光学参量腔之间的模式匹配效率的第四探测器。

3.根据权利要求1所述的可快速调节连续变量纠缠源信号光干涉的装置，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。

4.根据权利要求1所述的可快速调节连续变量纠缠源信号光干涉的装置，其特征在于：

所述第二分束单元一侧还设有用于观察基频光干涉效率的第五探测器；

所述第三分束单元一侧还设有用于观察倍频光干涉效率的第六探测器。

5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的可快速调节连续变量纠缠源信号光干涉的装置，其特征在于：所述第一分束单元、第二分束单元和第三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。

6.根据权利要求5所述的可快速调节连续变量纠缠源信号光干涉的装置，其特征在于：所述第一光学参量腔和第二光学参量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。

7.根据权利要求6所述的可快速调节连续变量纠缠源信号光干涉的装置，其特征在于：所述第一光学参量腔和第二光学参量腔是两镜腔或多镜腔，且至少一片腔镜粘贴有用于改变腔长的压电陶瓷。

8.根据权利要求7所述的可快速调节连续变量纠缠源信号光干涉的装置，其特征在于：所述第一光学参量腔和第二光学参量腔通过由PDH稳频系统构成的锁定回路进行锁定。