CN111555100A - 利用三模光机械系统产生高阶横模压缩光的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用三模光机械系统产生高阶横模压缩光的装置和方法，该装置包括一台激光器(输出激光频率为ω0)，由两个固定镜和一个薄膜构成的光机械系统。频率为ω0的激光入射到薄膜发生光力相互作用，使薄膜发生被迫振动，振动的本征频率为ωm，进而导致了腔模与振动薄膜之间的耦合作用，形成了薄膜腔光机械系统。耦合过程中，薄膜对光发生散射，产生两个频率不同高阶横模边带，使腔内光子与红失谐边带ω0‑ωm共振，光腔的能量转移到机械振子上，红失谐边带高阶横模的位相分量压缩，即产生了频率为ω0‑ωm的高阶横模压缩光。该装置结构紧凑，稳定性好，能够产生宽带宽的高阶横模的压缩光，在量子精密测量和量子通信领域具有实用价值。

Description

利用三模光机械系统产生高阶横模压缩光的装置和方法
技术领域
本发明涉及量子光学领域，具体是一种利用三模光机械系统产生高阶横模压缩光的装置和方法。
背景技术
压缩态光场的噪声低于散粒噪声极限，故利用压缩态光场可以突破经典的极限，在量子层面上对物理量进行精密测量。因此压缩态光场在量子通信和量子精密测量中具有重要的实用价值。随着空间量子光学、空间量子信息的发展，高阶横模压缩态越来越广泛地应用于超高精细的测量、量子成像和空间信息传输等方面。高阶横模适应于量子信息方案的复杂性也可以应用于量子信息的并行传输、多通道量子密钥分配。
近年来，腔光力学是国内与国际上的热门研究学科，光力系统的腔模型主要包括微波腔光机械系统、法布里帕罗腔(F-P腔)、环形微腔、介质薄膜腔、BEC腔等等，这些都已经在实验上实现。腔光力学主要应用光与机械振子之间的相互作用，使量子力学的研究范围从微观扩展到宏观，小到纳米，大到肉眼可见。因此在腔光力学中研究宏观物体的非经典态例如压缩态也成为热点课题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种利用三模光机械系统产生高阶横模压缩光的装置和方法。
本发明是通过以下技术方案实现的，一种利用三模光机械系统产生高阶横模压缩光的装置，包括：连续波单频激光器、第一固定平凹镜、介质薄膜和第二固定平凹镜；其中，第一固定平凹镜和第二固定平凹镜凹面相对放置，二者中间垂直放置介质薄膜，构成法布里帕罗腔光力系统；连续波单频激光器置于第一固定平凹镜的平面端。
其中，连续波单频激光器为单横模单频连续波激光器，输出频率为ω0的TEM00模的激光。
其中，法布里帕罗腔光力系统中，第一固定平凹镜和第二固定平凹镜固定放置，介质薄膜以本征频率ωm进行振动。
其中，当单频激光器出射的激光通过第一固定平凹镜入射法布里帕罗腔光力系统内时，光与介质薄膜发生相互作用，光压迫使介质薄膜发生受迫振动，振动时介质薄膜的位置发生变化，从而使光模、腔场与介质薄膜之间形成动态耦合。
其中，介质薄膜使法布里帕罗腔光力系统分成左右两个分腔，第一固定平凹镜与介质薄膜构成一个分腔，介质薄膜与第二固定平凹镜构成另一个分腔；介质薄膜位置的改变使两个分腔的腔长发生相应变化，从而导致两个分腔的腔模发生变化，同时光力耦合强度发生改变。
本发明是通过以下技术方案实现的，一种利用三模光机械系统产生高阶横模压缩光的装置的方法，利用如前述技术方案所述的装置进行连续变量高阶横模压缩光的制备，包括如下步骤：
连续波单频固体激光器作为激光光源，输出的频率为ω0激光横模为TEM00模并注入法布里帕罗腔光力系统中；
频率为ω0的激光入射到法布里帕罗腔光力系统的光学腔内后与介质薄膜相互作用，产生的辐射压力迫使介质薄膜以本征频率ωm发生振动，介质薄膜散射作用在光学腔中产生两个边带：红失谐边带ω0-ωm与蓝失谐边带ω0+ωm；
调节光学腔的带宽，使得频率为ω0-ωm红失谐边带与频率为ω0的注入光以及薄膜振动产生的机械模同时在光学腔中共振；
调节介质薄膜在光学腔中的位置，当介质薄膜不位于腔模腰斑附近，或者是相对于波矢方向有一定的倾斜角度的时候，薄膜的存在干扰光学腔模，产生高阶横模的红失谐边带。
区别于现有技术，本发明提供了一种利用三模光机械系统产生高阶横模压缩光的装置和方法，该装置包括连续波单频激光器，第一固定平凹镜、介质薄膜和第二固定平凹镜；其中，第一固定平凹镜和第二固定平凹镜凹面相对放置，二者中间垂直放置介质薄膜，构成法布里帕罗腔光力系统；连续波单频激光器放置于第一固定平凹镜的平面侧。本发明应用了介质薄膜腔光力系统，在光力系统的调节介质薄膜的位置与腔的带宽，使得经过薄膜散射的红失谐边带成为高阶横模并在腔中共振，经过理论计算，产生的频率为ω0-ωm的高阶横模光场具有连续变量压缩特性。此发明可以为探索基于空间压缩态的量子测量、量子成像奠定基础，在复杂的量子信息传输中具有重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明的一种利用三模光机械系统产生高阶横模压缩光的装置的结构示意图；
图2为本发明产生的频率为ω0-ωm的高阶横模光场的正交位相噪声谱在不同的声子数下与归一化频率的关系的示意图；
图3为本发明在不同的声子数条件下注入光的归一化功率参数对输出的频率为ω0-ωm的高阶横模压缩光的影响的示意图。
图中：1、单频激光器，2、第一固定平凹镜，3、介质薄膜，4、第二固定平凹镜。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
如图1所示的一种利用三模光机械系统产生高阶横模压缩光的装置，包括：连续波单频激光器1、第一固定平凹镜2、介质薄膜3和第二固定平凹镜4；其中，第一固定平凹镜2和第二固定平凹镜4凹面相对放置，二者中间垂直放置介质薄膜3，构成法布里帕罗腔光力系统；连续波单频激光器1放置于第一固定平凹镜2的平面侧。
其中，连续波单频激光器1为单横模单频连续波激光器，输出频率为ω0的TEM00模的激光。
其中，法布里帕罗腔光力系统中，第一固定平凹镜2和第二固定平凹镜4固定设置，介质薄膜3以本征频率ωm进行振动，产生机械模。
其中，当单频激光器1出射的激光通过第一固定平凹镜2入射法布里帕罗腔光力系统内时，光与介质薄膜3发生相互作用，光压迫使介质薄膜3发生受迫振动，振动时介质薄膜3的位置发生变化，从而使得光模、腔场与介质薄膜3之间形成动态耦合。
其中，介质薄膜3使法布里帕罗腔光力系统分成左右两个分腔，第一固定平凹镜2与介质薄膜3构成一个分腔，介质薄膜3与第二固定平凹镜4构成另一个分腔；介质薄膜3位置的改变使两个分腔的腔长发生相应变化，从而导致两个分腔的腔模发生变化，同时光力耦合强度发生变化。
连续波单频激光器1输出的波长可以为1064纳米，此种固体激光器技术已经较成熟。可以选用两个曲率半径为10厘米的平凹镜构成一个腔长为10厘米的共焦腔，平凹镜可以选用ATFilms公司生产的腔镜，反射率可达99.985％。腔内放置高应力的介质膜，通常采用Si3N4材料制作，介质膜厚度达到纳米量级，在真空中其品质因数Q值可达到106。介质薄膜放置于一个压电陶瓷上，可以改变薄膜在腔中的位置，其振动的本征频率可以为1.7兆赫兹，此光学腔可参考X.Chen等人在PHYSICAL REVIEW A上发表的题为“Observation ofthree-mode parametric instability”的文章。
图2所示为产生的频率为ω0-ωm的高阶横模光场的正交位相噪声功率谱在不同的平均声子数n下与归一化频率的关系，三条曲线由上至下平均热声子数
Figure BDA0002474135780000041
依次减少，即环境温度依次降低。由此可以看出在较大的频率范围中，制备的高阶横模光场的正交位相噪声功率谱低于归一化的标准量子极限，高阶横模光场的正交位相是压缩的，并且在低频处取得较大的压缩度，零频处压缩度最大。同时，将该系统置于越低的环境温度可以得到越大的压缩态光场。
图3所示为不同的输入光功率下的高阶横模光场的正交位相噪声功率谱，不同的曲线对应于不同的环境温度。结果表明该系统存在稳态的阈值，而在输入的激光的功率高于两倍的稳态阈值的条件下，该装置能够制备出正交位相压缩的高阶横模的压缩态光场。注入光的功率越大并且环境温度越低，产生的光场压缩度越大。
综合图2与图3，此发明在注入较大功率的激光时将系统放置于较低的环境温度中或者对其进行冷却，在低频处可以探测到具有正交位相压缩的高阶横模压缩态光场。
本发明还提供了一种利用三模光机械系统产生高阶横模压缩光的方法，利用如前述技术方案所述的装置进行连续变量高阶横模压缩光的制备，包括如下步骤：
连续波单频固体激光器1作为激光光源，输出的频率为ω0激光横模为TEM00模并注入法布里帕罗腔光力系统中；
频率为ω0的激光入射到法布里帕罗腔光力系统的光学腔内后与介质薄膜3相互作用，产生的辐射压力迫使介质薄膜3以本征频率ωm发生振动，介质薄膜3散射作用在光学腔中产生两个边带：红失谐边带ω0-ωm与蓝失谐边带ω0+ωm；
调节光学腔的带宽，使得频率为ω0-ωm红失谐边带与频率为ω0的注入光以及薄膜振动产生的机械模同时在光学腔中共振；
调节介质薄膜3在光学腔中的位置，当介质薄膜3不位于腔模腰斑附近，或者是相对于波矢方向有一定的倾斜角度的时候，薄膜的存在干扰光学腔模，产生高阶横模的红失谐边带。
本发明的核心是一种产生连续变量压缩态光场的装置。该装置可以产生稳定度高的宽带宽的连续变量高阶横模压缩态光场。它所产生的连续变量高阶横模压缩态光源适合应用于量子信息网络和量子通讯领域。
区别于现有技术，本发明应用了介质薄膜腔光力系统，在光力系统的调节介质薄膜的位置与腔的带宽，使得经过薄膜散射的红失谐边带成为高阶横模并在腔中共振，经过理论计算，产生的频率为ω0-ωm的高阶横模光场具有连续变量压缩特性。此发明可以为探索基于空间压缩态的量子测量、量子成像奠定基础，在复杂的量子信息传输中具有重要的应用价值。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种利用三模光机械系统产生高阶横模压缩光的装置，其特征在于，包括：连续波单频激光器（1）、第一固定平凹镜（2）、介质薄膜（3）和第二固定平凹镜（4）；其中，第一固定平凹镜（2）和第二固定平凹镜（4）凹面相对放置，二者中间垂直放置介质薄膜（3），构成法布里帕罗腔光力系统；连续波单频激光器（1）放置于第一固定平凹镜（2）的平面侧。
2.如权利要求1所述的一种利用三模光机械系统产生高阶横模压缩光的装置，其特征在于，所述连续波单频激光器（1）为单横模单频连续波激光器，输出频率为ω0的TEM00模的激光。
3.如权利要求1所述的一种利用三模光机械系统产生高阶横模压缩光的装置，其特征在于，法布里帕罗腔光力系统中，第一固定平凹镜（2）和第二固定平凹镜（4）固定放置，介质薄膜（3）以本征频率ωm进行振动。
4.如权利要求1所述的一种利用三模光机械系统产生高阶横模压缩光的装置，其特征在于，当单频激光器（1）出射的激光通过第一固定平凹镜（2）入射法布里帕罗腔光力系统内时，光与介质薄膜（3）发生相互作用，光压迫使介质薄膜（3）发生受迫振动，振动时介质薄膜（3）的位置发生变化，从而使得光模、腔场与介质薄膜（3）之间形成动态耦合。
5.如权利要求1所述的一种利用三模光机械系统产生高阶横模压缩光的装置，其特征在于，介质薄膜（3）使法布里帕罗腔光力系统分成左右两个分腔，第一固定平凹镜（2）与介质薄膜（3）构成一个分腔，介质薄膜（3）与第二固定平凹镜（4）构成另一个分腔；介质薄膜（3）位置的改变使两个分腔的腔长发生相应变化，从而导致两个分腔的腔模发生变化，同时光力耦合强度也发生变化。
6.一种利用三模光机械系统产生高阶横模压缩光的方法，利用如权利要求1-5任意一项所述的装置进行连续变量高阶横模压缩光的制备，其特征在于，包括如下步骤：
连续波单频固体激光器（1）作为激光光源，输出的频率为ω0激光横模为TEM00模并注入法布里帕罗腔光力系统中；
频率为ω0的激光入射到法布里帕罗腔光力系统的光学腔内后与介质薄膜（3）相互作用，产生的辐射压力迫使介质薄膜（3）以本征频率ωm发生振动，介质薄膜（3）散射作用在光学腔中产生两个边带：红失谐边带ω0-ωm与蓝失谐边带ω0+ωm；
调节光学腔的带宽，使得频率为ω0-ωm红失谐边带模与频率为ω0的注入光场模以及薄膜振动产生的机械模同时在光学腔中共振；
调节介质薄膜（3）在光学腔中的位置，当介质薄膜（3）不位于腔模腰斑附近，或者是相对于波矢方向有一定的倾斜角度的时候，薄膜的存在干扰光学腔模，产生高阶横模的红失谐边带。
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