CN111207667B - 一种基于光学参量放大器的量子干涉仪装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于量子精密测量技术领域，公开了一种基于光学参量放大器的量子干涉仪装置，包括光源单元、光学斩波器、第一光学分束器、第二光学分束器、第一光学参量放大器、第二光学参量放大器、位相传感器和测量系统。本发明利用两个光学参量放大器实现了干涉仪的相敏场强放大和噪声压缩，能够实现高灵敏度的位相测量。本发明具有结构紧凑、调节方便、可靠性好等优点，在量子精密测量中具有重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明一种基于光学参量放大器的量子干涉仪装置，属于量子精密测量技术领域。
背景技术
在量子信息科学的发展中，量子精密测量是目前的研究热点之一。通过利用量子资源，量子精密测量可以显著提高传感的灵敏度、成像的分辨率。干涉仪是重要的测量工具之一，其位相变化对于许多能够影响光程的物理量非常敏感，比如生物组织、引力波、位移和力学量等。然而，干涉仪的最终灵敏度受限于电磁场的真空起伏决定的标准量子极限。因此，突破标准量子极限的干涉仪实现，特别是能够对淹没于量子噪声极限的微弱信号的测量，都是极具挑战性的任务。
量子干涉仪利用量子资源，提高了干涉仪测量位相的灵敏度。量子干涉仪能够克服散粒噪声极限的影响，甚至可以实现超越标准量子噪声极限的微弱位相变化的测量。人们开展了一系列的对于光子或者光场的量子干涉仪的研究。在2017年，澳大利亚Griffith大学的Geoff Pryde研究组利用NOON态实现了突破散粒噪声极限的位相测量，在NaturePhotonics 11, 700 (2017)发表题为“Unconditional violation of the shot-noiselimit in photonic quantum metrology”的论文。
以上研究工作实现了基于光子系统的量子干涉仪，解决了光学干涉仪突破标准量子极限的问题，但在上述方法中利用的光子数目少，位相测量的绝对精度低，限制了干涉仪在位相测量中的实际应用。
发明内容
本发明提供了一种基于光学参量放大器的量子干涉仪装置，克服了现有技术存在的不足，提供了一种可靠性好、易于实现的量子干涉仪装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于光学参量放大器的量子干涉仪装置，包括光源单元、光学斩波器、第一光学分束器、第二光学分束器、第一光学参量放大器、第二光学参量放大器、位相传感器和测量系统；光源单元用于分别输出探针光信号aS、本地振荡光信号aL、泵浦光信号aP1和泵浦光信号aP2；光源单元输出的探针光脉冲信号aS与光学斩波器的输入端连接，光学斩波器的输出端与第一光学分束器()的输入端连接，第一光学分束器()的两个输出端分别与第一光学参量放大器和第二光学参量放大器的第一输入端连接，光源单元输出的泵浦光信号aP和泵浦光信号aP分别与第一光学参量放大器和第二光学参量放大器的第二输入端连接，第一光学参量放大器输出的相敏光场与位相传感器的输入端连接，位相传感器的输出端与第二光学分束器的第一输入端连接，位相传感器用于根据待测物理量对第一光学参量放大器输出的相敏光场进行相移；第二光学参量放大器的输出的相敏光场与第二光学分束器的第二输入端连接，光源单元输出的本地振荡光信号aL与测量系统的第一输入端连接，第二光学分束器的输出端与测量系统的第二输入端连接。
所述位相传感器为压电陶瓷。
所述光源单元包括可调谐激光器、1×3光学分束器阵列、光学倍频器、1×2光学分束器阵列，所述可调谐激光器的输出端与1×3光学分束器的输入端连接，1×3光学分束器的第一输出端输出本地振荡光信号aL，第二输出端输出探针光信号aS，第三输出端与光学倍频器的输入端连接，光学倍频器的输出端与1×2光学分束器的输入端连接，1×2光学分束器的两个输出端分别输出泵浦光信号aP1和aP2。
所述光学斩波器为一个通光圆盘，将所述圆盘均沿轴向依次分为四个区域；其中，第一、第三区域为扇形通光区域，第二和第四区域为设置有弧形通光狭缝的弹簧钢，所述弧形狭缝上固定光学衰减片。
测量系统包括第三光学分束器、第一平衡零拍探测器、第二平衡零拍探测器,功率减法器和频谱分析仪；所述光源单元输出的本地振荡光信号aL和所述第二光学分束器的输出光信号在第三光学分束器上干涉，干涉信号分别与第一平衡零拍探测器和第二平衡零拍探测器的输入端连接，第一平衡零拍探测器和第二平衡零拍探测器的输出端和功率减法器的输入端连接，功率减法器的输出端与频谱分析仪连接，频谱分析仪用于对第二光学分束器的输出光信号的正交分量的量子噪声进行测量和分析，进而得到位相信号。
所述第一光学参量放大器和第二光学参量放大器的结构相同，均包括光学谐振腔、非线性光学晶体和温控系统，光学谐振腔包括第一凹镜、第二凹镜、第一平镜、第二平镜和压电陶瓷，其中第一凹镜、第二凹镜、第一平镜、第二平镜组成八字环形腔结构，第一光学分束器的输出信号从第一平镜输入第一光学参量放大器，依次经第二平镜、第二凹镜、第一凹镜后从第一平镜出射；第一平镜作为输入输出耦合镜对探针光场的透过率为5%，第二平镜对探针光场镀有高反膜，第一凹镜和第二凹镜均对探针光场镀有高反膜，对泵浦光场镀有减反膜，并且其中第一平镜被固定在压电陶瓷上；温控系统用于对非线性光学晶体加热并且精确控温。
所述温控系统包括紫铜炉子和控温仪器。
本发明的工作原理如下：第一光学分束器将注入激光光场分为两束干涉仪的内部光场；随后，通过第一、第二光学参量放大器得到两束量子态光场，并且将其作为干涉仪的相敏光场；位相传感器将待测物理量转换为两束相敏光场的相对位相差；接下来，两束相敏光场在第二光学分束器上干涉，输出光场的正交分量包含了待测物理量引入的相对位相差信号；最后，通过平衡零拍测量系统进行探测，可以得到输出光场的正交分量。由于利用了第一、第二光学参量放大器不仅放大了相敏光场的强度，而且降低了相敏光场的量子噪声，因此本发明显著地提高了干涉仪的灵敏度。
因此，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明不需要超高效率的量子光源和探测系统，仅需要常规的光学参量放大器和平衡零拍探测系统就可以无条件实现突破标准量子极限的精密位相测量。
2、本发明在存在干涉仪损耗等噪声的情况下，也可以无条件实现突破标准量子极限的精密位相测量。
3、本发明可以实现高精度的位相测量。干涉仪相敏光场的强度是影响测量灵敏度的主要因素之一；通过提高干涉仪相敏光场的强度，能够提高干涉仪灵敏度。由于受量子光源的限制，现有技术中的干涉仪只能工作在相敏光场的强度很小的情况下，测量较大的位相信号。本发明采用了第一、第二光学参量放大器得到的两束量子态光场作为相敏光场，不仅可以工作在相敏光场强度小的情况下，而且可以工作在相敏光场强度大的情况下。因此，本发明可以实现高精度的位相测量，解决了干涉仪在位相测量中的实际应用。
4、本发明利用光学参量放大器不仅可以增大用于位相测量的相敏光场强度，而且可以降低干涉仪内部的噪声，进而提高干涉仪的灵敏度。除了提高干涉仪相敏光场的强度外，干涉仪相敏光场的量子噪声是影响测量灵敏度的主要因素之一，因此，本发明还可以通过降低干涉仪相敏光场的量子噪声，来提高干涉仪灵敏度。
附图说明
图 1本发明实施例提供的基于光学参量放大器的量子干涉仪装置的结构示意图；
图 2本发明实施例中光源单元的结构示意图；
图3本发明实施例中光学斩波器结构图；
图4本发明实施例中光学参量放大器的结构示意图；
图5本发明实施例中测量系统的结构示意图；
图中，1-光源单元，1a-可调谐激光器，1b-1×3光学分束器阵列，1c-光学倍频器，1d-1×2光学分束器阵列，21-斩波器，22-第一光学分束器，23-位相传感器，24-第二光学分束器，3-第一光学参量放大器，3a-第一平镜，3b-第二平镜，3c-第一凹镜，3d-第二凹镜，3e-非线性晶体，3f-压电陶瓷；4-第二光学参量放大器，5-测量系统，5a-第三光学分束器，5b-第一平衡零拍探测器，5c-第二平衡零拍探测器，5d-功率减法器，5e-频谱分析仪。
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。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于光学参量放大器的量子干涉仪装置，包括光源单元1、光学斩波器21、第一光学分束器22、第二光学分束器24、第一光学参量放大器3、第二光学参量放大器4、位相传感器23和测量系统5；光源单元1用于分别输出探针光信号aS、本地振荡光信号aL、泵浦光信号aP1和泵浦光信号aP2；光源单元1输出的探针光脉冲信号aS与光学斩波器21的输入端连接，光学斩波器21的输出端与第一光学分束器22的输入端连接，第一光学分束器22的两个输出端分别与第一光学参量放大器3和第二光学参量放大器4的第一输入端连接，光源单元1输出的泵浦光信号aP1和泵浦光信号aP2分别与第一光学参量放大器3和第二光学参量放大器4的第二输入端连接，第一光学参量放大器3输出的相敏光场与位相传感器23的输入端连接，位相传感器23的输出端与第二光学分束器24的第一输入端连接，位相传感器23用于根据待测物理量对第一光学参量放大器3输出的相敏光场进行相移；第二光学参量放大器4的输出的相敏光场与第二光学分束器24的第二输入端连接，光源单元1输出的本地振荡光信号aL与测量系统的第一输入端连接，第二光学分束器24的输出端与测量系统5的第二输入端连接。其中，位相传感器是将待测物理量转换为两束相敏光场的相对位相差的器件，比如，压电陶瓷可以作为位相传感器，将位移量转换为位相。
进一步地，如图2所示，所述光源单元1包括可调谐激光器、1×3光学分束器阵列、光学倍频器、1×2光学分束器阵列，所述可调谐激光器的输出端与1×3光学分束器的输入端连接，1×3光学分束器的第一输出端输出本地振荡光信号aL，第二输出端输出探针光信号aS，第三输出端与光学倍频器的输入端连接，光学倍频器的输出端与1×2光学分束器的输入端连接，1×2光学分束器的两个输出端分别输出泵浦光信号aP1和aP2。具体地，本实施例中，可调谐激光器1a采用低噪声、窄线宽的钛宝石激光器，该激光器输出波长为895nm的激光，对应于铯原子的吸收线和生物组织的窗口。
进一步地，如图3所示，所述光学斩波器21具体为一个通光圆盘，将所述圆盘均沿轴向依次分为四个区域；其中，第一、第三区域Ⅰ、Ⅲ为扇形通光区域，第二和第四区域Ⅱ、Ⅳ为设置有弧形通光狭缝的弹簧钢，所述弧形狭缝上固定有光学衰减片，以获得需要的探针光功率。其中，第一、第三区域Ⅰ、Ⅲ，和第二、第四区域Ⅱ、Ⅳ的弧形狭缝的大多数区域允许光通过，用于第一、第二光学参量放大器3、4，干涉仪第二光学分束器24和测量系统5的位相锁定；光学衰减片用于相敏光场强度的调节和开关。
进一步地，如图4所示，本实施例中，所述第一光学参量放大器3包括光学谐振腔、非线性光学晶体和温控系统，光学谐振腔包括第一凹镜3c、第二凹镜3d、第一平镜3a、第二平镜3b和压电陶瓷3f，其中第一凹镜3c、第二凹镜3d、第一平镜3a和第二平镜3b组成八字环形腔结构，第一光学分束器22的输出信号从第一平镜3a输入第一光学参量放大器3，依次经第二平镜3b、第二凹镜3d、第一凹镜3c后从第一平镜3a出射；第一平镜3a作为输入输出耦合镜，对探针光场的透过率为5%，第二平镜3b对探针光场镀有高反膜，第一凹镜3c和第二凹镜3d均对探针光场镀有高反膜，对泵浦光场镀有减反膜，并且其中第二平镜3b被固定在压电陶瓷3f上；温控系统用于对非线性光学晶体加热并且精确控温。具体地，所述温控系统包括紫铜炉子和控温仪器。
此外，本实施例中，第二光学参量放大器4的结构与第一光学参量放大器3相同。
进一步地，如图5所示，本实施例中，测量系统5包括第三光学分束器5a、第一平衡零拍探测器5b、第二平衡零拍探测器5c,功率减法器5d和频谱分析仪5e；所述光源单元1输出的本地振荡光信号aL和所述第二光学分束器24的输出光信号在第三光学分束器5a上干涉，干涉信号分别与第一平衡零拍探测器5b和第二平衡零拍探测器5c的输入端连接，第一平衡零拍探测器5b和第二平衡零拍探测器5c的输出端和功率减法器5d的输入端连接，功率减法器5d的输出端与频谱分析仪5e连接，频谱分析仪5e用于对第二光学分束器24的输出光信号的正交分量的量子噪声进行测量和分析，进而得到位相信号。
本发明的工作原理如下：第一光学分束器将注入激光光场分为两束干涉仪的内部光场；随后，通过第一、第二光学参量放大器得到两束量子态光场，并且将其作为干涉仪的相敏光场；位相传感器将待测物理量转换为两束相敏光场的相对位相差；接下来，两束相敏光场在第二光学分束器上干涉，输出光场的正交分量包含了待测物理量引入的相对位相差信号；最后，通过平衡零拍测量系统进行探测，可以得到输出光场的正交分量。由于利用了第一、第二光学参量放大器不仅放大了相敏光场的强度，而且降低了相敏光场的量子噪声，因此本发明显著地提高了干涉仪的灵敏度。
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 (7)
1.一种基于光学参量放大器的量子干涉仪装置，其特征在于，包括光源单元（1）、光学斩波器（21）、第一光学分束器（22）、第二光学分束器（24）、第一光学参量放大器（3）、第二光学参量放大器（4）、位相传感器（23）和测量系统（5）；光源单元（1）用于分别输出探针光信号aS、本地振荡光信号aL、泵浦光信号aP1和泵浦光信号aP2；光源单元（1）输出的探针光脉冲信号aS与光学斩波器（21）的输入端连接，光学斩波器（21）的输出端与第一光学分束器(22)的输入端连接，第一光学分束器(22)的两个输出端分别与第一光学参量放大器（3）和第二光学参量放大器（4）的第一输入端连接，光源单元（1）输出的泵浦光信号aP1和泵浦光信号aP2分别与第一光学参量放大器（3）和第二光学参量放大器（4）的第二输入端连接，第一光学参量放大器（3）输出的相敏光场与位相传感器（23）的输入端连接，位相传感器（23）的输出端与第二光学分束器（24）的第一输入端连接，位相传感器（23）用于根据待测物理量对第一光学参量放大器（3）输出的相敏光场进行相移；第二光学参量放大器（4）的输出的相敏光场与第二光学分束器（24）的第二输入端连接，光源单元（1）输出的本地振荡光信号aL与测量系统的第一输入端连接，第二光学分束器（24）的输出端与测量系统（5）的第二输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于光学参量放大器的量子干涉仪装置，其特征在于，所述位相传感器（23）为压电陶瓷。
3.根据权利要求1所述的一种基于光学参量放大器的量子干涉仪装置，其特征在于：所述光源单元（1）包括可调谐激光器、1×3光学分束器阵列、光学倍频器、1×2光学分束器阵列，所述可调谐激光器的输出端与1×3光学分束器的输入端连接，1×3光学分束器的第一输出端输出本地振荡光信号aL，第二输出端输出探针光信号aS，第三输出端与光学倍频器的输入端连接，光学倍频器的输出端与1×2光学分束器的输入端连接，1×2光学分束器的两个输出端分别输出泵浦光信号aP1和aP2。
4.根据权利要求1所述的一种基于光学参量放大器的量子干涉仪装置，其特征在于：所述光学斩波器（21）为一个通光圆盘，将所述圆盘均沿轴向依次分为四个区域；其中，第一、第三区域为扇形通光区域，第二和第四区域为设置有弧形通光狭缝的弹簧钢，所述弧形狭缝上固定光学衰减片。
5.根据权利要求1所述的一种基于光学参量放大器的量子干涉仪装置，其特征在于：测量系统（5）包括第三光学分束器、第一平衡零拍探测器、第二平衡零拍探测器,功率减法器和频谱分析仪；所述光源单元（1）输出的本地振荡光信号aL和所述第二光学分束器（24）的输出光信号在第三光学分束器上干涉，干涉信号分别与第一平衡零拍探测器和第二平衡零拍探测器的输入端连接，第一平衡零拍探测器和第二平衡零拍探测器的输出端和功率减法器的输入端连接，功率减法器的输出端与频谱分析仪连接，频谱分析仪用于对第二光学分束器（24）的输出光信号的正交分量的量子噪声进行测量和分析，进而得到位相信号。
6.根据权利要求1所述的一种基于光学参量放大器的量子干涉仪装置，其特征在于：所述第一光学参量放大器（3）和第二光学参量放大器（4）的结构相同，均包括光学谐振腔、非线性光学晶体和温控系统，光学谐振腔包括第一凹镜、第二凹镜、第一平镜、第二平镜和压电陶瓷，其中第一凹镜、第二凹镜、第一平镜、第二平镜组成八字环形腔结构，第一光学分束器的输出信号从第一平镜输入第一光学参量放大器（3），依次经第二平镜、第二凹镜、第一凹镜后从第一平镜出射；第一平镜作为输入输出耦合镜对探针光场的透过率为5%，第二平镜对探针光场镀有高反膜，第一凹镜和第二凹镜均对探针光场镀有高反膜，对泵浦光场镀有减反膜，并且其中第一平镜被固定在压电陶瓷上；温控系统用于对非线性光学晶体加热并且精确控温。
7.根据权利要求6所述的一种基于光学参量放大器的量子干涉仪装置，其特征在于：所述温控系统包括紫铜炉子和控温仪器。
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