CN109596148B - 一种提高压缩光探测装置干涉效率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学技术领域，提出了一种提高压缩光探测装置干涉效率的方法。所述方法包括以下步骤：将入射到光学参量腔的泵浦光功率调节到阈值以上，调节温度，使光学参量腔工作在泵浦光和信号光的双共振温度下；将光学参量腔的腔长锁定在双共振模式下，然后微调非线性晶体温度，获得较强的信号光；S3、调节第一匹配透镜组,使光学参量腔工作在阈值以上时输出的信号光与相干光在50/50分束镜上的干涉效率达到99.5%以上；S4、调节入射到光学参量腔的泵浦光功率，使其工作在阈值以下，输出压缩光场。本发明通过将不易调节的阈值以下输出信号光与相干光的干涉转换为阈值以上输出信号光与相干光的调节，干涉调节过程简便快速高效，精准度高。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种提高压缩光探测装置干涉效率的方法。
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。
一种低阈值稳定的光学参量腔成为产生压缩的关键部件。光学参量腔按照注入光是否在腔内共振分为单共振光学参量腔和双共振光学参量腔等。单共振腔只有基频种子光在腔内共振，而泵浦光单次或双次穿过非线性晶体后输出腔外。双共振光学参量腔种子光和泵浦光均在腔内谐振，与单共振光学参量腔相比，由于泵浦光往返多次穿过非线性晶体，将增强泵浦光与晶体的非线性相互作用，从而可有效降低光学参量腔的泵浦阈值，节约泵浦激光能量的消耗；同时，由于泵浦光共振可有效反射非模式匹配的泵浦光，避免基模模体积以外的泵浦光加热晶体，从而有效降低晶体热效应。因此，双共振光学参量腔更容易实现低功率激光系统的高稳定、小型化、易维护设计，更有益于高压缩度压缩态光场的制备和实际应用。在干涉的调节中，通常由注入种子光锁定光学腔，利用其输出信号光与另一束光干涉来观察调节两光束干涉效率。然而制备压缩态光场的光学参量腔通常为欠耦合输出工作模式，这就导致了注入种子光经过光学腔时基本被反射输出，透射功率极其微弱，与另一束激光耦合时干涉可见度较小，难于观察测量，因此干涉效率的调节极为困难。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种提高压缩光探测装置干涉效率的方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种提高压缩光探测装置干涉效率的方法，所述压缩光探测装置包括：激光源、第一双色镜、第一匹配透镜组、第二匹配透镜组、腔锁定回路、光学参量腔、第二双色镜、50/50分束镜、第一探测器、第二探测器、所述激光源发出的基频光经所述第一双色镜、第一匹配透镜组后作为相干光入射到所述/分束镜，所述激光源发出的倍频光经所述第一双色镜、第二匹配透镜组后作为泵浦光入射到光学参量腔，从所述光学参量腔输出的信号光，经所述第二双色镜后，入射到所述/分束镜；所述探测器用于探测泵浦光通过光学参量腔后的透射峰信号，所述第二探测器用于探测信号光与相干光，所述方法包括以下步骤：
S1、将入射到光学参量腔的泵浦光功率调节到阈值以上，调节光学参量腔内的非线性晶体的温度，使光学参量腔工作在泵浦光和信号光的双共振温度下；
S2、通过腔锁定回路将光学参量腔的腔长锁定在双共振模式下，然后微调非线性晶体温度，获得较强的信号光；
S3、通过第一探测器观测信号光与相干光在50/50分束镜上的干涉条纹，调节第一匹配透镜组,使光学参量腔工作在阈值以上时输出的信号光与相干光在50/50分束镜上的干涉效率达到99.5%以上；
S4、调节入射到光学参量腔的泵浦光功率，使其工作在阈值以下，输出压缩光场。
所述光学参量腔的双共振温度的测量方法为：
向光学参量腔中注入基频光，通过扫描光学参量腔内的镜片上的压电陶瓷扫描光学参量腔的腔长，通过光学参量腔的反射信号将光学参量腔的腔长锁定至共振增强；
调节光学参量腔中的非线性晶体的温度，并通过功率计测量各个温度点下光学参量腔中输出的倍频光的功率；
根据倍频光的功率值随光学参量腔中的非线性晶体温度的变化曲线，得到光学参量腔的双共振温度条件。
所述步骤S1之前还包括以下步骤：通过探测器探测光学参量腔的透射峰信号来观测泵浦光的模式匹配效率，通过腔前匹配透镜组调节入射到光学参量腔的泵浦光的焦点位置，以使泵浦光在光学参量腔内的模式匹配效率达到99.5%以上。
所述压缩光探测装置还包括设置在相干光的光路上的导光镜，所述导光镜设置粘贴有压电陶瓷，通过扫描压电陶瓷实现光学参量腔输出压缩光场与相干光场的相对相位扫描。
所述压缩光探测装置还包括设置在第二匹配透镜组与光学参量腔之间的光学隔离器和电光调制器，所述腔锁定回路包括锁腔探测器、信号发生器、混频器、比例积分微分器和高压放大器，泵浦光经光学隔离器和电光调制器后入射到光学参量腔，光学参量腔的反射光信号经电光调制器后，由光学隔离器的分束棱镜反射至锁腔探测器，锁腔探测器的探测信号与信号发生器发出的射频信号经混频器、比例积分微分器和高压放大器后输出反馈信号至光学参量腔上的压电陶瓷上，对光学参量腔的腔长进行锁定。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明利用谐振的泵浦光直接锁定腔长，在满足种子光与泵浦光同时谐振的条件下，使双共振光学参量腔工作在阈值以上即会产生强的信号光输出，通过将不易调节的阈值以下输出信号光与相干光的干涉转换为阈值以上输出信号光与相干光的调节，弥补了单共振腔的缺陷，使微弱光信号之间干涉的调节转变为两束强激光干涉的调节，干涉调节过程简便快速高效，精准度高；直接利用现有光路，无需引入新的光源元件，装置整体结构简洁、成本低廉，具有调节精确、方便、直观等优点，极大地提高了干涉调节的效率。
附图说明
图1为本发明实施例一中的压缩光探测装置的结构示意图；
图2为本发明实施例一种光学参量腔、模式清洁器输出的透射峰曲线；
图3为本发明实施例一中光学参量腔a输出信号光与相干光的干涉曲线；
图4为本发明实施例一中的光学参量腔a的双共振温度测量的示意图；
图5为本发明实施例一中测量双共振温度时得到的倍频光功率值随温度的变化曲线；
图6为本发明实施例二中的压缩光探测装置的结构示意图；
图7为本发明实施例二中的光学参量腔a的双共振温度测量的示意图。
图中：1-激光器，2-分束镜，3-第三匹配透镜组，4-1550模式清洁器，5-基频光，6-第一匹配透镜组，7-导光镜，8-第一双色镜，9-倍频光，10-第四匹配透镜组，11-775模式清洁器，12-第二匹配透镜组，13-光学隔离器，14-电光调制器，15- 腔锁定回路，16-第二双色镜，17-高反镜，18-信号光，19-50/50分束镜，20-第一探测器，21-第二探测器， 151-锁腔探测器，152-信号发生器，153-混频器，154-比例积分微分器，155-高压放大器， a-光学参量腔， a1-非线性晶体， a2-第一弯月形凹面镜， a3-压电陶瓷，a4-第二弯月形凹面镜，a5-第一平面镜，a6-第二平面镜，b-倍频腔；201-第二激光器，202-第二基频光，203-第二隔离器，204-第二电光调制器，205-高反镜，206-第五匹配透镜组，207-第三双色镜，208-第二倍频光，209-功率计，210-第二腔锁定回路，101-第二锁腔探测器，102-第二信号发生器，103-混频器，104-比例积分微分器，105-高压放大器，211-第三探测器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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作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。
实施例一
如图1所示，为本发明实施例一中的压缩光探测装置的结构示意图；本实施例中，1550nm单频激光器1输出基频光5经分束镜2分为两束，一束进入1550模式清洁器4，改善光束质量和空间模式分布，为探测提供优质光源，从1550模式清洁器4出射的光经第一匹配透镜组6和导光镜7后，作为相干光入射到50/50分束镜19，另一束进入倍频腔b，进行参量上转换过程产生倍频光9，对应波长为775nm，用于泵浦光学参量腔a。光学参量腔b输出倍频光9经过775模式清洁器11，改善泵浦光的光束质量，最后经双色镜16（镀膜为一面HR1550nm/HT775nm，另一面AR1550nm/775nm）由光学参量腔a的输出镜a3入射到双共振光学参量腔a，工作在阈值以下进行参量下转换产生信号光18，即压缩光，光学参量腔的输出镜a2输出的信号光18经双色镜16发射后，入射到50/50分束镜19，信号光18和相干光在50/50分束镜19上发生干涉，干涉条纹由第一探测器20进行探测。
本实施例中提供的一种提高压缩光探测装置干涉效率的方法，具体包括以下步骤：
S1、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，通过探测器21观察并记录模式匹配效率，结果如图2所示，通过调节第二匹配透镜组12（焦距分别为-50mm，100mm），使泵浦光经第二匹配透镜组12聚焦后焦点落在第一光学参量腔a腰斑处，模式匹配效率达到99.5%以上。随后，将入射到光学参量腔a的泵浦光的功率加至光学参量腔的阈值以上，调节光学参量腔a内的非线性晶体的温度，使光学参量腔a工作在泵浦光和信号光的双共振温度下；
此外，本实施例中，还需调节第三匹配透镜组3（焦距分别为-75mm，100mm）使1550模式清洁器得匹配效率达到99.5%以上，调节第四匹配透镜组10（焦距分别为-75mm，75mm）使775模式清洁器得匹配效率达到99.5%以上。
S2、通过倍频光回路中的腔锁定回路15将光学参量腔a的腔长锁定至共振点，然后微调光学参量腔a内的非线性晶体a1温度，获得较强的信号光18，该信号光的频率与压缩光的频率一致。
本实施例中，压缩光探测装置还包括设置在第二匹配透镜组12与光学参量腔a之间的光学隔离器13和电光调制器14，所述腔锁定回路15包括锁腔探测器151、信号发生器152、混频器153、比例积分微分器154和高压放大器155，泵浦光经光学隔离器13和电光调制器14后入射到光学参量腔a，光学参量腔a的反射光信号经电光调制器14后，由光学隔离器13的分束棱镜反射至锁腔探测器151，信号发生器对电光调制器14进行驱动，锁腔探测器151探测得到的误差信号与信号发生器发出的射频信号经混频器153、比例积分微分器154和高压放大器155后输出反馈信号至光学参量腔a上的压电陶瓷上，对光学参量腔a的腔长进行锁定。其中，光学隔离器13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。此外，光学隔离器13的分束镜还可以对光学参量腔a的反射信号进行反射，使其作为锁腔的反馈信号被锁腔探测器151探测到。
S3、通过第二探测器20观测信号光与相干光在50/50分束镜19上的干涉条纹，调节第一匹配透镜组6,使光学参量腔a工作在阈值以上时输出的信号光与相干光在50/50分束镜19上的干涉效率达到99.5%以上。
如图3所示，通过扫描粘贴在导光镜7上的压电陶瓷来扫描两束光相对位相，由第一探测器20观察并记录，即实现了阈值以下输出信号光与相干光的高效率干涉。
S4、调节入射到光学参量腔a的泵浦光功率，使其工作在阈值以下，输出压缩光场。即可以实现光学参量腔输出的压缩光与相干光的高干涉效率。
本实施例中，光学参量腔a的光学参数如下：光学参量腔由弯月形凹面镜a2和非线性晶体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。弯月形凹面镜a2曲率半径为25mm，凹面镀膜T775=2.5%、T1550=15%，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31mm，对应的基模腰斑半径49µm，基模腰斑位置在晶体中心。电光位相调制器14施加120MHz的正弦波信号。
此外，本实施例中，光学参量腔的双共振温度可以提前进行测量，如图4所示，为本实施例中，测量光学参量腔a的双共振温度的装置示意图，该测量装置包括1550nm单频激光器201，隔离器203，电光调制器204，高反镜205，匹配透镜组206，双色镜207，PDH锁定回路210，所述1550nm单频激光器201输出的基频光202经隔离器203、电光调制器204、高反镜205、匹配透镜组206、双色镜207后从光学参量腔的输出镜入射到光学参量腔a；所述光学参量腔a的反射光信号依次经所述双色镜7、匹配透镜组6、电光调制器4后，经所述光隔离器3的分束棱镜反射后被所述腔锁定回路210的锁腔探测器101探测；所述光学参量腔a经参量上转换过程产生的波长为775nm的倍频光208经双色镜207透射后，入射到功率计209进行探测功率，此外，探测器211设置在光学参量腔a的另一端，用于接收探测所述光学参量腔a透射峰信号。
测量时，先扫描光学参量腔的腔长，使探测器211可以探测到光学参量腔在一个自由光谱区范围的透射峰曲线，调节匹配透镜组206，通过探测器211观察并记录基频光入射到光学参量腔的模式匹配效率，使匹配效率达到99.5%以上；结果如图2所示，经透镜组6（焦距分别为-50mm，100mm）聚焦后焦点落在第一光学参量腔a腰斑处，模式匹配效率达到99.5%以上。然后，光学参量腔a反射光由隔离器3反射输出打入第一锁腔探测器101获得误差信号，采用PDH锁定回路10锁定光学参量腔a的腔长至共振增强。PDH锁定回路10的腔锁定原理和结构与腔锁定回路15的锁腔原理一样。最后，调节光学参量腔中的非线性晶体的温度，并通过功率计9测量各个温度点下光学参量腔a中输出的倍频光8的功率值；根据倍频光的功率值随非线性晶体温度的变化曲线，得到光学参量腔的双共振温度条件，如图5所示，我们可以看出3个共振温度点分别为30.7℃，42.68℃和53.9℃。
实施例二
如图6所示，为本发明实施例二中的压缩光探测装置的结构示意图；与实施例一的区别在于，本实施例中，光源采用内腔倍频激光器，其可以直接输出1550nm 的基频光和775nm的倍频光。此外，本实施例的光学参量腔与实施例一不同。
本实施例中，内腔倍频激光器1输出基频光5和倍频光9，基频光经第一双色镜8透射后，经第一匹配透镜组6和导光镜7后作为相干光入射到50/50分束镜19，倍频光9经第二匹配透镜组9后入射到光学参量腔a，从光学参量腔a射出的透射信号经第二双色镜16反射后被第二探测器21探测，从光学参量腔a射出的信号光经经第二双色镜16透射后入射到50/50分束镜19。
本实施例中，光学参量腔a的光学参数如下。第一光学参量腔a由两个凹面镜a2和a4、两个平面镜a5和a6和一块PPKTP晶体a1组成。其中，第二平面镜a6作为输入镜，内表面镀膜HR1550nm/775nm，外端面镀膜AR1550nm/775nm；第一平面镜a5内端面为HR1550/775，外端面不镀膜；两个凹面镜a2和a4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=2.5%/T1550=15%，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；第二弯月形凹面镜a4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a2和a4的中间，即腔的腰斑位置处。电光位相调制器14施加120MHz的正弦波信号。
虽然本实施例中的压缩光探测装置中的光学参量腔和光源与前一实施例不同，但本实施例的提高压缩光探测装置干涉效率的方法与实施例一相同，因此不做赘述。
此外，本实施例中，光学参量腔的双共振温度也需要提前进行测量，如图7所示，为本实施例中，测量光学参量腔a的双共振温度的装置示意图，该测量装置包括1550nm单频激光器201，隔离器203，电光调制器204，高反镜205，匹配透镜组206，双色镜207，PDH锁定回路210，所述1550nm单频激光器201输出的基频光202经隔离器203、电光调制器204、高反镜205、匹配透镜组206、双色镜207后从光学参量腔的输出镜入射到光学参量腔a；所述光学参量腔a的反射光信号依次经所述双色镜7、匹配透镜组6、电光调制器4后，经所述光隔离器3的分束棱镜反射后被所述腔锁定回路210的锁腔探测器101探测；所述光学参量腔a经参量上转换过程产生的波长为775nm的倍频光208经双色镜207透射后，入射到功率计209进行探测功率，此外，探测器211设置在光学参量腔a的另一端，用于接收探测所述光学参量腔a透射峰信号。
与实施例一相同，本实施例在测量时，先扫描光学参量腔a的腔长，使探测器211可以探测到光学参量腔在一个自由光谱区范围的透射峰曲线，调节匹配透镜组206，通过探测器211观察并记录基频光入射到光学参量腔的模式匹配效率，使匹配效率达到最高；经透镜组6（焦距分别为-50mm，100mm）聚焦后焦点落在第一光学参量腔a腰斑处，模式匹配效率达到99.5%以上。然后，光学参量腔a反射光由隔离器3反射输出打入第一锁腔探测器101获得误差信号，采用第二腔锁定回路10锁定光学参量腔a的腔长至共振增强。最后，调节光学参量腔中的非线性晶体的温度，并通过功率计9测量各个温度点下光学参量腔a中输出的倍频光8的功率值；根据倍频光的功率值随非线性晶体温度的变化曲线，得到光学参量腔的双共振温度条件。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (5)
1.一种提高压缩光探测装置干涉效率的方法，其特征在于，所述压缩光探测装置包括：激光源（1）、第一双色镜（8）、第一匹配透镜组（6）、第二匹配透镜组（12）、腔锁定回路（15）、光学参量腔（a）、第二双色镜（16）、50/50分束镜（19）、第一探测器（20）、第二探测器（21）、所述激光源（1）发出的基频光经所述第一双色镜（8）、第一匹配透镜组（6）后作为相干光入射到所述50/50分束镜（19），所述激光源（1）发出的倍频光经所述第一双色镜（8）、第二匹配透镜组（12）后作为泵浦光入射到光学参量腔（a），从所述光学参量腔（a）输出的信号光，经所述第二双色镜（16）后，入射到所述50/50分束镜（19）；所述第二探测器（21）用于探测泵浦光通过光学参量腔（a）后的透射峰信号，所述第一探测器（20）用于探测信号光与相干光，所述方法包括以下步骤：
S1、将入射到光学参量腔（a）的泵浦光功率调节到阈值以上，调节光学参量腔（a）内的非线性晶体的温度，使光学参量腔（a）工作在泵浦光和信号光的双共振温度下；
S2、通过腔锁定回路将光学参量腔的腔长锁定在双共振模式下，然后微调光学参量腔（a）内的非线性晶体（a1）的温度，获得较强的信号光；
S3、通过第一探测器（20）观测信号光与相干光在50/50分束镜（19）上的干涉条纹，调节第一匹配透镜组（6）,使光学参量腔（a）工作在阈值以上时输出的信号光与相干光在50/50分束镜（19）上的干涉效率达到99.5%以上；
S4、调节入射到光学参量腔（a）的泵浦光功率，使其工作在阈值以下，输出压缩光场。
2.根据权利要求1所述的一种提高压缩光探测装置干涉效率的方法，其特征在于，所述光学参量腔的双共振温度的测量方法为：
向光学参量腔中注入基频光，通过扫描光学参量腔（a）内的镜片上的压电陶瓷扫描光学参量腔（a）的腔长，通过光学参量腔（a）的反射信号将光学参量腔（a）的腔长锁定至共振增强；
调节光学参量腔中的非线性晶体的温度，并通过功率计测量各个温度点下光学参量腔（a）中输出的倍频光的功率；
根据倍频光的功率值随光学参量腔中的非线性晶体温度的变化曲线，得到光学参量腔的双共振温度条件。
3.根据权利要求1所述的一种提高压缩光探测装置干涉效率的方法，其特征在于，所述步骤S1之前还包括以下步骤：
通过第二探测器（21）探测光学参量腔（a）的透射峰信号来观测泵浦光的模式匹配效率，通过第二匹配透镜组（12）调节入射到光学参量腔（a）的泵浦光的焦点位置，以使泵浦光在光学参量腔（a）内的模式匹配效率达到99.5%以上。
4.根据权利要求1所述的一种提高压缩光探测装置干涉效率的方法，其特征在于，所述压缩光探测装置还包括设置在相干光的光路上的导光镜（7），所述导光镜（7）设置粘贴有压电陶瓷，通过扫描压电陶瓷实现光学参量腔输出压缩光场与相干光场的相对相位扫描。
5.根据权利要求1所述的一种提高压缩光探测装置干涉效率的方法，其特征在于，所述压缩光探测装置还包括设置在第二匹配透镜组（12）与光学参量腔（a）之间的光学隔离器（13）和电光调制器（14），所述腔锁定回路（15）包括锁腔探测器（151）、信号发生器（152）、混频器（153）、比例积分微分器（154）和高压放大器（155），泵浦光经光学隔离器（13）和电光调制器（14）后入射到光学参量腔（a），光学参量腔（a）的反射光信号经电光调制器（14）后，由光学隔离器（13）的分束棱镜反射至锁腔探测器（151），锁腔探测器（151）的探测信号与信号发生器发出的射频信号经混频器（153）、比例积分微分器（154）和高压放大器（155）后输出反馈信号至光学参量腔（a）上的压电陶瓷上，对光学参量腔（a）的腔长进行锁定。
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