CN109752896A - 一种用于opo选模的级联标准具滤波系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于OPO选模的级联标准具滤波系统及方法，利用可控温三维调节光学标准具作为滤波器件，通过调节标准具温度使之与光学参量振荡器OPO输出光场的中心频率共振；利用多个不同厚度的标准具级联实现宽范围的滤波，通过标准具厚度组合的优化选择方案使级联标准具的边带噪声滤波范围达到THz量级，中心频率处透过谱的带宽被控制在百MHz量级，可以作为OPO模式选择的通用滤波系统，将OPO的简并模式透过，而将所有非简并模式全部过滤掉，既避免了使用窄带干涉滤波片和光学腔，降低了成本和实验复杂度，而且优化了标准具的厚度组合，使滤波范围达到THz，覆盖OPO所有非简并模式，提高了滤波系统的通用性。

Description

一种用于OPO选模的级联标准具滤波系统及方法

技术领域

本发明涉及OPO选模滤波技术领域，特别是涉及一种用于OPO选模的级联标准具滤波系统及方法。

背景技术

光学参量振荡器(optical parametric oscillator，OPO)是产生非经典光场的一种重要手段，利用它不仅可以产生压缩态、猫态、多组分纠缠等连续变量量子态，而且可以产生窄带单光子、纠缠光子对等分离变量量子态，在基础物理研究、量子通讯、量子计算等领域有着重要的应用。利用OPO腔可以有效压窄非经典光场的线宽，但是OPO腔内自发参量下转换过程的频谱范围非常宽(～THz量级)，远大于OPO腔的自由光谱区(～GHz量级)，直接从腔内输出的下转换光场为多纵模，除了居于下转换频谱中心的频率简并模式，两侧还分布着很多个频率非简并模式。然而，在很多具体量子协议中要求窄带单模的量子态。在基于原子系综的量子中继中，要求窄带单模的量子态光场实现信息在光场和原子记忆之间的高效转化。在量子通信中，窄带单模的纠缠源可以增大相干长度有效避免空气扰动对纠缠交换的影响。所以，如何将OPO的频率非简并模式过滤掉，实现单纵模输出是制备窄带单模非经典光场的一个关键技术问题。

在过滤OPO非简并模式方面，人们已经进行了很多的研究。一种滤波方法是窄带滤波片+多个光学腔，在Phys.Rev.Lett.97,083604(2006)这篇文献中，用带宽为200GHz的窄带干涉滤波片和三个光学腔进行滤波，此窄带干涉滤波片可将大部分非简并模式滤掉。三个光学腔的长度合理搭配，使得在干涉滤波片的透过带宽内三个光学腔的透射峰没有交叠，达到过滤所有非简并模式的目的。由于光学腔要保持与OPO中心频率共振，实施过程中需提供一束频率与OPO中心频率相同的参考光场作为锁腔光，将光学腔的腔长锁定到OPO的中心频率上。参考光首先注入第一个滤波腔，将光场与腔的模式匹配到最佳，然后将腔长锁定到参考光频率上。锁定后参考光从第一个腔稳定输出，将输出光场注入到第二个滤波腔，将其腔长锁定到参考光频率上。同样方法，将第三个滤波腔的腔长锁定到参考光频率上。这种方法滤波系统总的透过率很低，只有10-15％；而且每个滤波腔都要进行模式匹配和腔长锁定，操作繁琐；另外，不完美的模式匹配和腔长锁定都会对滤波效果产生影响。

另一种滤波方法是窄带滤波片+高精细度光学微腔，在Nature Photonics 8,570(2014)这篇文献中，用带宽为130GHz的窄带干涉滤波片和腔长为0.45mm的光学微腔进行滤波。所用光学微腔的精细度为1000，自由光谱区330GHz，带宽为320MHz。由于微腔的自由光谱区达到窄带滤波片带宽的两倍以上，而且微腔的带宽大于OPO的带宽且小于OPO的自由光谱区，OPO的输出光场顺次通过窄带干涉滤波片和高精细微腔，可以使简并模式透过，而将所有非简并模式都滤掉。但是在这个方案中，如何精确控制腔长是一个挑战，如何让高精细度光学腔达到高的透过率也是一个技术难题。另外，这个微腔也需要主动锁定技术，将腔长锁定到OPO的中心频率上，实施较为繁琐。

总的来说，在窄带滤波片+多个光学腔和窄带滤波片+高精细度光学微腔这两种方法中，都需要主动锁定，将滤波腔腔长锁定到OPO的中心频率上，实施较为繁琐；并且在滤波腔的锁定过程中，不完美的模式匹配和腔长锁定都会对滤波效果产生影响。在这两种方法中，窄带干涉滤波片滤掉了大部分非简并模式，但是这种窄带滤波片，价格很高；而且需要根据OPO输出的中心频率定做，通用性低。另外，在窄带滤波片+多个光学腔这种方法中，实验上需逐次锁定多个光学腔，操作繁复，而且整个滤波系统透过率低；在窄带滤波片+高精细度光学微腔这种方法中，高精细度高透过率光学微腔的制作是一个挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于OPO选模的级联标准具滤波系统及方法，以解决现有OPO选模滤波系统实验复杂度高、成本高且通用性低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种用于OPO选模的级联标准具滤波系统，所述级联标准具滤波系统包括高斯光束准直透镜组和光学标准具级联系统；所述光学标准具级联系统包括N个可控温三维调节光学标准具{E1、E2…EN}、N个0度全反镜{M1、M2…MN})和N个挡光片{S1、S2…SN}；

所述高斯光束准直透镜组设置在OPO的输出光路上，用于对所述OPO输出高斯光束的发散角进行压缩，使所述高斯光束成为近平行光束；所述光学标准具级联系统设置在所述高斯光束准直透镜组的输出光路上，用于对所述高斯光束准直透镜组输出的近平行光束进行滤波；

其中，第一个0度全反镜M1设置在所述高斯光束准直透镜组的输出光路上；第i个可控温三维调节光学标准具Ei设置在第i个0度全反镜Mi和第i+1个0度全反镜Mi+1之间，用于对所述近平行光束的边带噪声进行抑制；所述第i个可控温三维调节光学标准具Ei设置在所述第i个0度全反镜Mi的第一反射光路上；所述第i+1个0度全反镜Mi+1设置在所述第i个可控温三维调节光学标准具Ei的透射光路上，用于改变光线传播方向；第i个挡光片Si设置在第i个0度全反镜Mi的第二反射光路上，用于遮挡第i个可控温三维调节标准具Ei的反射光束；所述第i个可控温三维调节光学标准具Ei的反射光束经所述第i个0度全反镜Mi反射后，被所述第i个挡光片Si遮挡；其中i≤N。

可选的，所述高斯光束准直透镜组包括短焦距透镜L1和长焦距透镜L2；所述短焦距透镜L1和所述长焦距透镜L2依次设置在所述OPO的输出光路上。

可选的，所述第i个0度全反镜Mi的第一反射光束在所述第i个可控温三维调节光学标准具Ei表面的入射角为1-2度。

可选的，所述第i个0度全反镜Mi的入射光束的入射角小于5度。

可选的，相邻两个所述可控温三维调节光学标准具之间的光程大于0.5m。

可选的，所述可控温三维调节光学标准具包括光学标准具、控温装置和三维调节镜架；所述控温装置由控温炉和控温仪组成；所述控温炉包括黄铜壳层、聚砜保温罩、帕尔贴元件、热敏电阻及导热块；所述光学标准具嵌在所述黄铜壳层中；所述聚砜保温罩包裹在所述黄铜壳层外表面；所述帕尔贴元件位于所述黄铜壳层下方；所述导热块位于所述帕尔贴元件下方；所述热敏电阻安装在所述黄铜壳层内；所述热敏电阻和所述帕尔贴元件分别与所述控温仪电连接。所述控温炉通过所述导热块安装在所述三维调节镜架上，所述三维调节镜架用于精细改变光束在所述光学标准具上的入射角。

可选的，所述可控温三维调节光学标准具中的所述光学标准具的厚度范围为4mm到10mm。

可选的，N个所述可控温三维调节光学标准具中，任意两个所述可控温三维调节光学标准具中的所述光学标准具的厚度差大于等于0.3mm。

一种用于OPO选模的级联标准具滤波方法，所述级联标准具滤波方法包括：

设定可控温三维调节光学标准具的数量N以及N个所述可控温三维调节光学标准具中前两个所述可控温三维调节光学标准具的厚度；N≥4；

在已知前两个所述可控温三维调节光学标准具厚度的条件下，利用标准具厚度计算方法获得其他N-2个所述可控温三维调节光学标准具的厚度；

利用标准具优化算法对N个所述可控温三维调节光学标准具的厚度进行优化，确定N个所述可控温三维调节光学标准具的最优厚度；

根据N个所述最优厚度的所述可控温三维调节光学标准具组成级联标准具滤波系统；所述级联标准具滤波系统包括高斯光束准直透镜组和光学标准具级联系统；所述光学标准具级联系统包括N个所述最优厚度的可控温三维调节光学标准具{E1、E2…EN}、N个0度全反镜{M1、M2…MN})和N个挡光片{S1、S2…SN}；所述高斯光束准直透镜组设置在OPO的输出光路上，用于对所述OPO输出高斯光束的发散角进行压缩，使所述高斯光束成为近平行光束；所述光学标准具级联系统设置在所述高斯光束准直透镜组的输出光路上，用于对所述高斯光束准直透镜组输出的近平行光束进行滤波；其中，第一个0度全反镜M1设置在所述高斯光束准直透镜组的输出光路上；第i个可控温三维调节光学标准具Ei设置在第i个0度全反镜Mi和第i+1个0度全反镜Mi+1之间，用于对所述近平行光束的边带噪声进行抑制；所述第i个可控温三维调节光学标准具Ei设置在所述第i个0度全反镜Mi的第一反射光路上，通过三维调节镜架精细调节光束在所述第i个可控温三维调节光学标准具Ei的入射角；所述第i+1个0度全反镜Mi+1设置在所述第i个可控温三维调节光学标准具Ei的透射光路上，用于改变光线传播方向；第i个挡光片Si设置在第i个0度全反镜Mi的第二反射光路上，用于遮挡第i个可控温三维调节标准具Ei的反射光束；所述第i个可控温三维调节光学标准具Ei的反射光束经所述第i个0度全反镜Mi反射后，被所述第i个挡光片Si遮挡；其中i≤N；

依次调节N个所述可控温三维调节光学标准具的温度，使所述可控温三维调节光学标准具与待滤波OPO输出光场的中心频率共振，所述级联标准具滤波系将OPO输出的非简并模式全部滤除，输出光场中只保留简并模式。

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：

本发明提供一种用于OPO选模的级联标准具滤波系统及方法，通过高斯光束准直透镜组对OPO输出高斯光束的发散角进行压缩，使之成为近平行光束；利用可控温三维调节光学标准具作为滤波器件，通过调节标准具温度使之与OPO输出光场的中心频率共振；利用多个不同厚度的标准具级联实现宽范围的滤波，通过标准具厚度组合的优化选择方案使级联标准具的边带噪声滤波覆盖THz范围，中心频率处的透过谱带宽被控制在百MHz量级，可以作为OPO模式选择的通用滤波系统，将OPO的简并模式透过，而将所有非简并模式全部过滤掉，既避免了使用窄带滤波片和光学腔，降低了成本和实验复杂度，而且优化了标准具的厚度组合，使滤波范围达到THz，覆盖所有OPO非简并模式，可以作为OPO模式选择的通用滤波系统，提高了滤波系统的通用性。

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，还可以根据本发明提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的用于OPO选模的级联标准具滤波系统的结构示意图；

图2为本发明提供的可控温三维调节光学标准具的结构示意图；

图3为本发明提供的一种用于OPO选模的级联标准具滤波系统的应用实施例示意图；

图4为本发明实施例提供的OPO腔的下转换谱示意图；

图5为本发明实施例提供的5个标准具的透射谱；

图6为本发明实施例提供的光学标准具级联系统的透射谱；

图7为本发明实施例提供的OPO输出经过级联标准具滤波系统后的透射谱。

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用于OPO选模的级联标准具滤波系统及方法，以解决现有OPO选模滤波系统实验复杂度高、成本高且通用性低的问题。

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为本发明提供的用于OPO选模的级联标准具滤波系统的结构示意图。参见图1，本发明提供的用于OPO选模的级联标准具滤波系统包括高斯光束准直透镜组和光学标准具级联系统。

如图1所示，所述高斯光束准直透镜组(本发明中简称准直透镜组)包括短焦距透镜L1和长焦距透镜L2，所述短焦距透镜L1和所述长焦距透镜L2依次设置在光学参量振荡器OPO的输出光路上。所述OPO输出的高斯光束入射至所述准直透镜组，所述准直透镜组对入射高斯光束的发散角进行压缩，使之成为近平行光束，能够在标准具中更好的干涉。图1中实线箭头指示的光路为所述级联标准具滤波系统的传播主光路，图1中虚线箭头指示的光路为所述可控温三维调节光学标准具的反射光路。

所述光学标准具级联系统设置在所述高斯光束准直透镜组的输出光路上，用于对所述高斯光束准直透镜组输出的近平行光束进行滤波。从所述准直透镜组输出的近平行光束入射到所述光学标准具级联系统，所述光学标准具级联系统包括N(N≥4)个可控温三维调节光学标准具{E1、E2…EN}、若干个0度全反镜{M1、M2…MN})和若干个个挡光片{S1、S2…SN}；所述可控温三维调节光学标准具、所述0度全反镜(本发明简称全反镜)和所述挡光片的数量一致，均为N个。例如5个可控温三维调节光学标准具需要对应的5个0度全反镜和5个挡光片。

可控温三维调节光学标准具(简称标准具)的数量N越大，滤波系统对边带噪声的抑制效果越好。设下转化谱中心频率处的透过率为1，标准具的精细度为30，当N＝3时，边带噪声的最大透过率可被抑制到2*10^-2以下；当N＝4时，边带噪声的最大透过率可被抑制到2*10^-3以下；当N＝5时，边带噪声的最大透过率可被抑制到2*10^-6以下。但是在实际使用过程中，并不是标准具越多越好，因为实际使用中标准具的透过率不能达到1，使用标准具越多，带来的损耗越大，因此本发明优选所述标准具的数量为5个。

如图1所示，第一个0度全反镜M1设置在所述高斯光束准直透镜组的输出光路上；第i个可控温三维调节光学标准具Ei设置在第i个0度全反镜Mi和第i+1个0度全反镜Mi+1之间，用于对所述近平行光束的边带噪声进行抑制。例如第1个可控温三维调节光学标准具E1设置在第1个0度全反镜M1和第2个0度全反镜M2之间，用于对所述近平行光束的边带噪声进行抑制。

所述第i个可控温三维调节光学标准具Ei设置在所述第i个0度全反镜Mi的第一反射光路上，通过三维调节镜架精细调节光束在标准具Ei上的入射角；所述第i+1个0度全反镜Mi+1设置在所述第i个可控温三维调节光学标准具Ei的透射光路上，用于改变光线传播方向。例如第1个可控温三维调节光学标准具E1设置在所述第1个0度全反镜M1的第一反射光路P11上；所述第2个0度全反镜M2设置在所述第1个可控温三维调节光学标准具E1的透射光路上，用于改变光束传播方向。

第i个挡光片Si设置在第i个0度全反镜Mi的第二反射光路上，用于遮挡可控温三维调节标准具的反射光束。例如第1个挡光片S1设置在第1个0度全反镜M1的第二反射光路P12上，用于遮挡可控温三维调节标准具E1的反射光束。

所述第i个可控温三维调节光学标准具Ei的反射光束经所述第i个0度全反镜Mi反射后，被所述第i个挡光片Si遮挡；其中i≤N。例如第1个可控温三维调节光学标准具E1的反射光束经所述第1个0度全反镜M1反射后，被所述第1个挡光片S1遮挡。

通过精细调节标准具的控制温度使其与OPO的输出中心频率共振，使简并模式透过。通过对所用标准具的厚度进行优化选择，可以使级联标准具滤波系统的边带噪声滤波范围覆盖THz。为了防止标准具的反射光反馈回前面的光路，要让标准具的入射光线微微偏离标准具的法线方向。本发明中，设置所述第i个0度全反镜Mi的第一反射光束在所述第i个可控温三维调节光学标准具Ei表面的入射角保持在1-2度之间，而不是正入射进入标准具。例如第1个0度全反镜M1的第一反射光束P11在所述第1个可控温三维调节光学标准具E1表面的入射角为1.5度。

并且相邻两个标准具之间的距离要大于0.5m，使反射光束能够偏离开入射光束。因此，本发明设置相邻两个所述可控温三维调节光学标准具之间的距离大于0.5m。

所述挡光片用来遮挡标准具的反射光束。所述0度全反镜用来改变光线传播方向，使整个滤波系统结构紧凑。其中，所述第i个0度全反镜Mi的入射光束的入射角小于5度。

图2为本发明提供的可控温三维调节光学标准具的结构示意图。参见图2，所述可控温三维调节光学标准具包括光学标准具、控温装置和三维调节镜架。所述控温装置由控温炉和控温仪组成。所述控温炉包括黄铜壳层、聚砜保温罩、帕尔贴元件、热敏电阻及导热块。所述光学标准具嵌在所述黄铜壳层中；所述聚砜保温罩包裹在所述黄铜壳层外表面；所述帕尔贴元件位于所述黄铜壳层下方；所述导热块位于所述帕尔贴元件下方；所述热敏电阻安装在所述黄铜壳层内；所述热敏电阻和所述帕尔贴元件分别与所述控温仪电连接；所述控温炉通过所述导热块与所述三维调节镜架连接。

其中，所述光学标准具由整块石英玻璃制成，两个通光面平形切割，且镀光学高反膜，形成法布里-珀罗光学腔，其透射谱为梳状结构，频率在两个透射峰之间的信号可以被有效过滤掉。所述控温装置由控温炉和控温仪组成，所述控温炉包括黄铜壳层、聚砜保温罩、帕尔贴元件、热敏电阻及导热块。所述光学标准具嵌在黄铜壳层中，黄铜导热性能好，可以使整个光学标准具受热均匀。聚砜保温罩用于对光学标准具保温，并隔绝外面温度变化对光学标准具温度的影响。帕尔贴元件放置在黄铜壳层的下面，通过给帕尔贴元件加电流改变光学标准具的温度。所述导热块放置在帕尔贴元件的下面，将帕尔贴元件工作过程中产生的热量带走，使之能够持续工作。所述热敏电阻安装在黄铜壳层内，用来测量壳层的温度。所述热敏电阻测量的温度值被输入到控温仪，控温仪对测量温度和设定温度进行比较，根据比较结果输出合适的电流到帕尔贴元件，控温仪经过反复采集测量温度、比较测量温度和设定温度以及调节输出电流，将所述光学标准具的温度控制到设定温度。

通过精细调节控温仪的设定温度，可以使标准具与OPO的中心频率共振。因为光学标准具的温度变化使光学标准具的厚度发生了改变，当标准具的厚度l满足l＝k*λ/2，则标准具与OPO的中心频率共振。其中λ为OPO输出光场中心频率处的波长，k为正整数。

所述光学标准具通过导热块与三维调节镜架连接，通过调节镜架的旋钮精细调整光线在光学标准具表面的入射角度。光线正入射时标准具的透过率高，引入的损耗少，但是正入射会将标准具的反射光束反馈回前面的光学系统，使系统工作不稳定，所以在实际使用过程中，要将所述光学标准具表面的入射角度保持在1-2度，在不引起反馈的情况下保持较高的透过率。

所述可控温三维调节光学标准具中的所述光学标准具的厚度范围为4mm到10mm。N个所述可控温三维调节光学标准具中，任意两个所述可控温三维调节光学标准具中的所述光学标准具的厚度差大于等于0.3mm。

本发明通过高斯光束准直透镜组对OPO输出高斯光束的发散角进行压缩，使之成为近平行光束；利用可控温三维调节光学标准具作为滤波器件，通过调节标准具温度使之与OPO输出光场的中心频率共振。本发明还利用多个不同厚度标准具级联实现宽范围的滤波，通过标准具厚度组合的优化选择方案使级联标准具的边带噪声滤波覆盖THz范围，中心频率处透过谱的带宽被控制在百MHz量级，可以作为OPO模式选择的通用滤波系统，将OPO的简并模式透过，而将所有非简并模式全部过滤掉，既避免了使用窄带滤波片和光学腔，降低了成本和实验复杂度，而且优化了标准具的厚度组合，使滤波范围达到THz，覆盖所有OPO非简并模式，可以作为OPO模式选择的通用滤波系统，提高了滤波系统的通用性。

本发明还提供一种用于OPO选模的级联标准具滤波方法，所述级联标准具滤波方法包括：

(1)设定可控温三维调节光学标准具的数量N以及N个所述可控温三维调节光学标准具中前两个所述可控温三维调节光学标准具的厚度。其中N≥4，且N优选为5。本发明中所述可控温三维调节光学标准具的厚度即是指所述可控温三维调节光学标准具中光学标准具的厚度。

(2)在已知前两个所述可控温三维调节光学标准具厚度的条件下，利用标准具厚度计算方法获得其他N-2个所述可控温三维调节光学标准具的厚度。

所述步骤(1)(2)中所述可控温三维调节光学标准具的厚度需要满足以下原则：

原则一：标准具的厚度l取在4mm到10mm之间较为合理，因为光学标准具太薄则两个通光面的面型难以控制，而标准具太厚则对两通光面的平行度要求很高，加工困难，而且热容大，不容易控温。另外，为了在实际使用中增加区分度，任意两个标准具厚度差不小于0.3mm。

原则二：受光学加工工艺的限制，目前光学标准具厚度的加工精度只能到0.1mm，标准具级联系统的滤波范围被限制在-1000GHz＜Δw＜1000GHz，其中Δw为频率失谐。因为光学标准具的自由光谱区其中c为光速，n为标准具介质石英的折射率，约为1.5。当n＝1.5时，厚度精确到0.1mm的标准具在失谐Δw＝±1000GHz处都会出现透射峰。

原则三：若光学标准具的厚度分别为l₁,l₂,l₃,l₄,l₅，则10l₁,10l₂,10l₃,10l₄,10l₅这5个整数两两互质，就能保证光学标准具自由光谱区的最小公倍数为1000GHz，使得在0＜Δw＜1000GHz(-1000GHz＜Δw＜0)的范围内所有标准具的透射峰位置不重叠。

将OPO输出光场经过光学标准具级联系统的透射谱表示为：

其中T_sys(Δω)表示OPO输出光场经过光学标准具级联系统的透射谱，T₀(Δω)为OPO的透射谱，T_i(Δω)(i为正整数)为第i个标准具的透射谱。

其中

Δω＝ω-ω₀为频率失谐，ω为OPO输出光场的频率，ω₀为标准具的共振频率(与OPO的中心频率相同)，c为光速，n为标准具所用材料的折射率，l_i为第i个标准具的厚度，F为标准具的精细度。

中心频率处的透射谱T_sys(Δω)在一个自由光谱区内的积分被定义为透过积分，其中FSR是OPO腔的自由光谱区。

-1000GHz＜Δw＜1000GHz的失谐范围内边带频率上透过率的积分被定义为漏过积分。

为漏透比。所述漏透比越小，则光学标准具级联系统对OPO边带噪声的抑制效果越好。

所述标准具厚度计算方法为：

通常N个所述可控温三维调节光学标准具中前两个所述可控温三维调节光学标准具E1和E2中光学标准具的厚度是预先给定的。则第三个所述可控温三维调节光学标准具E3中光学标准具的厚度l₃的计算方法如下：

①在0＜Δw＜1000GHz的范围内寻找透过谱T(Δw)＝T₁(Δw)×T₂(Δw)最大处对应的频率点Δw的值。

②E3中光学标准具的厚度满足k为正整数，c为光速，n为折射率。根据l₃的计算公式，代入不同的k值得到一组l₃的取值作为E3中光学标准具的厚度集合。

③在所述厚度集合的这一组值里，取同时满足优化原则一、原则二和原则三的最小值作为l₃值，l₃的取值四舍五入到小数点后一位。

采用与E3中光学标准具的厚度l₃相同的计算方法，从前到后依次确定后面E4至EN中光学标准具的厚度，Em中光学标准具的厚度由前m-1个标准具透射谱乘积最大值出现处的频率值确定。Em表示第m个可控温三维调节光学标准具。

(3)利用标准具厚度优化算法对所有N个所述可控温三维调节光学标准具的厚度进行优化，确定N个所述可控温三维调节光学标准具的最优厚度。

所述步骤(3)中对N个所述可控温三维调节光学标准具的厚度进行优化的标准具厚度优化算法，包括以下步骤：

依次对N个所述可控温三维调节光学标准具中的每个光学标准具的厚度进行优化。对第m个光学标准具的厚度进行优化的步骤为：

①计算T在0＜Δw＜1000GHz寻找透射谱最大值对应的频率点Δw的值。

②根据公式(k为正整数)，代入不同的k值得到一组l_m的取值作为Em中光学标准具的厚度集合，取所述厚度集合中满足优化原则一、二、三的最小值作为新l_m值。

③将所述新l_m值代入系统透射谱计算公式若根据新l_m值确定的透射谱的漏透比相较于根据旧l_m值确定的透射谱的漏透比减小了，则用新l_m值代替旧l_m值；若漏透比没有减小，则保留旧l_m值不变。所述旧l_m值为所述步骤(2)中计算得到的Em中光学标准具的厚度值。

(4)根据N个所述最优厚度的所述可控温三维调节光学标准具组成所述级联标准具滤波系统。

通过标准具厚度的优化选择方案计算出所用N个标准具的最优厚度，将这些最优厚度的标准具应用在滤波系统中，组成本发明提供的级联标准具滤波系统。所述级联标准具滤波系统包括高斯光束准直透镜组和光学标准具级联系统；所述光学标准具级联系统包括N个所述最优厚度的可控温三维调节光学标准具{E1、E2…EN}、N个0度全反镜{M1、M2…MN})和N个挡光片{S1、S2…SN}。

所述高斯光束准直透镜组设置在光学参量振荡器的输出光路上，用于对所述光学参量振荡器输出的高斯光束的发散角进行压缩，使所述高斯光束成为近平行光束；所述光学标准具级联系统设置在所述高斯光束准直透镜组的输出光路上，用于对所述高斯光束准直透镜组输出的近平行光束进行滤波；其中，第一个0度全反镜M1设置在所述高斯光束准直透镜组的输出光路上；第i个可控温三维调节光学标准具Ei设置在第i个0度全反镜Mi和第i+1个0度全反镜Mi+1之间，用于对所述近平行光束的边带噪声进行抑制；所述第i个可控温三维调节光学标准具Ei设置在所述第i个0度全反镜Mi的第一反射光路上，通过三维调节镜架精细调节光束在标准具Ei上的入射角；所述第i+1个0度全反镜Mi+1设置在所述第i个可控温三维调节光学标准具Ei的透射光路上，用于改变光线传播方向；所述第i个挡光片Si设置在第i个0度全反镜Mi的第二反射光路上，用于遮挡第i个可控温三维调节标准具Ei的反射光束；所述第i个可控温三维调节光学标准具Ei的反射光束经所述第i个0度全反镜Mi反射后，被所述第i个挡光片Si遮挡；其中i≤N。

如图1所述，OPO输出的高斯光束入射到短焦透镜L1，腰斑离透镜L1的距离为d，透镜L1的焦距为f₁，要求d＞＞f₁。f₂为透镜L2的焦距，透镜L1和L2的距离为f₁+f₂，透镜L1将高斯光束聚焦于前焦面上，腰斑位置对应透镜L2的后焦面，所以经过所述准直透镜组的高斯光束能够被很好的准直。

从透镜L2透射的光线入射到0度全反镜M1，光线在0度全反镜上的入射角α＜5°，保证光场高的反射率以及光场反射后其偏振特性不发生改变。所有0度全反镜调节方法与M1相同。

将标准具E1放置在全反镜M1的反射光路上，为了防止标准具的反射光场反馈回前面的光路，要让入射光线微微偏离标准具的法线方向，入射角控制在1度到2度之间，因为角度过大会影响标准具中多光束干涉输出光场的质量、降低简并模式透过率，角度过小会让标准具的反射光场反馈回前面的光学器件。从标准具E1输出的光束交替经过后面的0度全反镜和标准具，所有标准具的放置方法同E1。

(5)依次调节N个所述可控温三维调节光学标准具的温度，使所述可控温三维调节光学标准具与所述光学参量振荡器输出的中心频率共振，所述级联标准具滤波系统滤除了OPO输出的非简并模式。

从前到后依次调节各个标准具的温度，使标准具与OPO输出的中心频率共振。将一束参考光注入OPO腔，参考光频率与OPO中心频率相同，将OPO锁定到参考光上，此时参考光的传播方向和光束质量与OPO产生的非经典光场相同，可以代替非经典光场对标准具进行调节。将功率计放置在标准具后面，调节标准具的温度，观察标准具的透过率，将透过率优化到最大，说明此标准具与OPO的简并模式共振。

所述功率计的作用是测量标准具的透过功率，透过功率与输入功率的比值为透过率，在确定的输入功率下，透过功率越高说明透过率越大。当优化某个标准具时，将功率计放置该标准具的后面。在确定的输入功率下，改变控温仪的设定温度，热平衡后标准具的温度也随之改变，标准具的透过功率也随之变化。通过改变温度使透过功率优化到最大，即将透过率优化到了最大。

图3是本发明提供的一种用于OPO选模的级联标准具滤波系统的应用实施例示意图。由于OPO输出的非经典光场的强度非常低，需要引入一束辅助光对滤波系统的光路进行调整，辅助光频率与OPO的中心频率相同。如图3所示，将辅助光注入OPO腔，将其与OPO腔进行模式匹配，之后锁定OPO腔长到辅助光频率上。辅助光首先经过电光调制器EOM进行相位调制，然后依次经过偏振分束棱镜PBS和法拉第旋光器FR进入OPO腔。OPO腔输出镜上装有压电陶瓷PZT，用来改变腔长。辅助光在OPO输入镜上的反射光束经过旋光器FR后偏振与入射光垂直，从偏振分束棱镜PBS的反射端口输出，进入光电探测器PD，将光信号转化为电信号。所述电信号和射频信号一起输入到混频器，混频器输出信号经过低通滤波后产生误差信号。所述误差信号经伺服系统反馈到压电陶瓷PZT，对OPO腔长进行锁定。腔长锁定后从OPO输出的辅助光进入本发明的级联标准具滤波系统，从前到后依次调节标准具E1、E2、E3、E4、E5的温度，使标准具与OPO输出的中心频率共振。将功率计放置在标准具后面，调节标准具的温度，观察标准具的透过率，将透过率优化到最大，说明此标准具与OPO的中心频率共振。这时级联标准具滤波系统对OPO的输出光场可以起到很好的选模作用。

本实施例中OPO腔是驻波腔，腔长为100mm，精细度为100，从OPO直接输出的下转换谱为其中Δω＝ω-ω₀，ω为下转换光场的频率，ω₀为下转换谱的中心频率，l₀为OPO的腔长，F为OPO腔的精细度。

图4为本发明实施例提供的OPO腔的下转换谱示意图，图4中纵坐标Transmission表示透过率，自由光谱区为1.5GHz，透射峰的半高宽度为15MHz，假定在-1000GHz＜Δw＜1000GHz的范围内都有下转换模式，且所有下转换模式的幅度相同，在-1000GHz＜Δw＜1000GHz的范围内有1332个非简并模式需滤掉。

利用本发明所述的标准具厚度优化方案，得到一组五个标准具E1、E2、E3、E4、E5厚度分别为6.5mm、4.4mm、6.9mm、5.9mm、4.1mm，它们的精细度均为30。图5为本发明实施例提供的5个标准具的透射谱。图5中的曲线501、502、503、504、505分别是厚度为6.9mm、6.5mm、5.9mm、4.4mm、4.1mm的标准具E1、E2、E3、E4、E5的透射谱，它们的透射峰互不交迭。

图6为本发明实施例提供的光学标准具级联系统的透射谱。图6是所述五个标准具E1、E2、E3、E4、E5级联的透射谱，在中心频率处透射峰的线宽为230MHz，除了中心频率处的透射峰，-1000GHz＜Δw＜1000GHz范围内的边带噪声被很好的抑制，边带噪声最大透射率与中心频率处透射率的比值不超过1×10^-6。

图7为本发明实施例提供的OPO输出经过级联标准具滤波系统后的透射谱。如图7所示，中心频率Δw＝0附近的信号可以透过，其半高线宽为15MHz，保持了OPO简并模式的线宽；-1000GHz＜Δw＜1000GHz范围内的非简并模式的最大透过率与中心频率处透射率的比值不超过1×10^-6，漏透比V＝2.4×10^-5，表明本发明级联标准具滤波系统可以作为OPO腔选模的通用滤波系统。

与现有OPO选模滤波系统相比，本发明提供的一种用于OPO选模的级联标准具滤波系统及方法至少具有以下优点：

(1)在级联标准具滤波系统中避免了使用现有OPO选模滤波系统采用的窄带干涉滤波片，只需要透镜、标准具和全反镜等基本光学器件，降低了成本。

(2)在级联标准具滤波系统中避免了使用光学腔，不需要匹配腔模式和锁定腔长，只需控制标准具温度使之与OPO简并模式共振，操作简单。

(3)本发明利用标准具厚度优化组合方案，使级联标准具滤波系统的滤波范围可覆盖到THz，可以作为OPO选模的通用滤波系统。

(4)本发明使用了高斯光束准直透镜组，可以提高OPO频率简并模式通过标准具的透过率，进而提高整个滤波系统的效率。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

本发明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装置及核心思想；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 (9)

1.一种用于OPO选模的级联标准具滤波系统，其特征在于，所述级联标准具滤波系统包括高斯光束准直透镜组和光学标准具级联系统；所述光学标准具级联系统包括N个可控温三维调节光学标准具{E1、E2…EN}、N个0度全反镜{M1、M2…MN})和N个挡光片{S1、S2…SN}；

所述高斯光束准直透镜组设置在光学参量振荡器OPO的输出光路上，用于对所述OPO输出高斯光束的发散角进行压缩，使所述高斯光束成为近平行光束；所述光学标准具级联系统设置在所述高斯光束准直透镜组的输出光路上，用于对所述高斯光束准直透镜组输出的近平行光束进行滤波；

其中，第一个0度全反镜M1设置在所述高斯光束准直透镜组的输出光路上；第i个可控温三维调节光学标准具Ei设置在第i个0度全反镜Mi和第i+1个0度全反镜Mi+1之间，用于对所述近平行光束的边带噪声进行抑制；所述第i个可控温三维调节光学标准具Ei设置在所述第i个0度全反镜Mi的第一反射光路上；所述第i+1个0度全反镜Mi+1设置在所述第i个可控温三维调节光学标准具Ei的透射光路上，用于改变光线传播方向；第i个挡光片Si设置在第i个0度全反镜Mi的第二反射光路上，用于遮挡第i个可控温三维调节标准具Ei的反射光束；所述第i个可控温三维调节光学标准具Ei的反射光束经所述第i个0度全反镜Mi反射后，被所述第i个挡光片Si遮挡；其中i≤N。

2.根据权利要求1所述的级联标准具滤波系统，其特征在于，所述高斯光束准直透镜组包括短焦距透镜L1和长焦距透镜L2；所述短焦距透镜L1和所述长焦距透镜L2依次设置在所述OPO的输出光路上。

3.根据权利要求1所述的级联标准具滤波系统，其特征在于，所述第i个0度全反镜Mi的第一反射光束在所述第i个可控温三维调节光学标准具Ei表面的入射角为1-2度。

4.根据权利要求1所述的级联标准具滤波系统，其特征在于，所述第i个0度全反镜Mi的入射光束的入射角小于5度。

5.根据权利要求1所述的级联标准具滤波系统，其特征在于，相邻两个所述可控温三维调节光学标准具之间的光程大于0.5m。

6.根据权利要求1所述的级联标准具滤波系统，其特征在于，所述可控温三维调节光学标准具包括光学标准具、控温装置和三维调节镜架；所述控温装置由控温炉和控温仪组成；所述控温炉包括黄铜壳层、聚砜保温罩、帕尔贴元件、热敏电阻及导热块；所述光学标准具嵌在所述黄铜壳层中；所述聚砜保温罩包裹在所述黄铜壳层外表面；所述帕尔贴元件位于所述黄铜壳层下方；所述导热块位于所述帕尔贴元件下方；所述热敏电阻安装在所述黄铜壳层内；所述热敏电阻和所述帕尔贴元件分别与所述控温仪电连接；所述控温炉通过所述导热块安装在所述三维调节镜架上，所述三维调节镜架用于精细改变光束在所述光学标准具上的入射角。

7.根据权利要求6所述的级联标准具滤波系统，其特征在于，所述可控温三维调节光学标准具中的所述光学标准具的厚度范围为4mm到10mm。

8.根据权利要求6所述的级联标准具滤波系统，其特征在于，N个所述可控温三维调节光学标准具中，任意两个所述可控温三维调节光学标准具中的所述光学标准具的厚度差大于等于0.3mm。

9.一种用于OPO选模的级联标准具滤波方法，其特征在于，所述级联标准具滤波方法包括：

设定可控温三维调节光学标准具的数量N以及N个所述可控温三维调节光学标准具中前两个所述可控温三维调节光学标准具的厚度；N≥4；

在已知前两个所述可控温三维调节光学标准具厚度的条件下，利用标准具厚度计算方法获得其他N-2个所述可控温三维调节光学标准具的厚度；

利用标准具厚度优化算法对N个所述可控温三维调节光学标准具的厚度进行优化，确定N个所述可控温三维调节光学标准具的最优厚度；

根据N个所述最优厚度的所述可控温三维调节光学标准具组成级联标准具滤波系统；所述级联标准具滤波系统包括高斯光束准直透镜组和光学标准具级联系统；所述光学标准具级联系统包括N个所述最优厚度的可控温三维调节光学标准具{E1、E2…EN}、N个0度全反镜{M1、M2…MN})和N个挡光片{S1、S2…SN}；所述高斯光束准直透镜组设置在所述OPO的输出光路上，用于对所述OPO输出的高斯光束的发散角进行压缩，使所述高斯光束成为近平行光束；所述光学标准具级联系统设置在所述高斯光束准直透镜组的输出光路上，用于对所述高斯光束准直透镜组输出的近平行光束进行滤波；其中，第一个0度全反镜M1设置在所述高斯光束准直透镜组的输出光路上；第i个可控温三维调节光学标准具Ei设置在第i个0度全反镜Mi和第i+1个0度全反镜Mi+1之间，用于对所述近平行光束的边带噪声进行抑制；所述第i个可控温三维调节光学标准具Ei设置在所述第i个0度全反镜Mi的第一反射光路上，通过三维调节镜架精细调节光束在所述第i个可控温三维调节光学标准具Ei的入射角；所述第i+1个0度全反镜Mi+1设置在所述第i个可控温三维调节光学标准具Ei的透射光路上，用于改变光线传播方向；第i个挡光片Si设置在第i个0度全反镜Mi的第二反射光路上，用于遮挡第i个可控温三维调节标准具Ei的反射光束；所述第i个可控温三维调节光学标准具Ei的反射光束经所述第i个0度全反镜Mi反射后，被所述第i个挡光片Si遮挡；其中i≤N；

依次调节N个所述可控温三维调节光学标准具的温度，使所述可控温三维调节光学标准具与待滤波OPO输出光场的中心频率共振，所述级联标准具滤波系统将OPO输出的非简并模式全部滤除，输出光场中只保留简并模式。