CN113189768B - 一种提取真空边模的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学技术领域，具体为一种提取真空边模的装置和方法，利用一束相干辅助光与压缩光场边模进行拍频，调整辅助光的频率，使其与边带频率相差滤波腔的一个自由光谱区，将滤波腔通过PDH技术锁定到辅助光频率上，由于腔的共振频率是简并的，因此压缩光的边带也可与滤波腔共振，实现共振输出。此方法得到的边模与辅助光不同频，因此辅助光与压缩光场的边带并不会发生干涉，也不会引入额外的相干光的经典噪声，输出的压缩光场边模仍为真空模式，即获得了纯净的真空边模。本发明方法装置简单，操作方便，且不会引入额外的相位噪声，可以将真空边模锁定到滤波腔上提取所需的边带，获得真空边模进行后续的探测。

Description

一种提取真空边模的装置和方法
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种提取真空边模的装置和方法。
背景技术
压缩态光场是一种非常重要的非经典光场，可以应用于引力波的探测、光学精密测量、纠缠态光场的产生、量子通讯等研究领域。尤其在量子通讯方面，两个单模压缩态光场或者一个双模压缩态光场可用来产生纠缠光，纠缠光作为量子信息的基础和核心，可以完成量子纠缠交换、超微弱信息的量子传输、量子保密通信、量子密集编码和量子离物传态等量子通信领域的重要原理性实验。因此制备以及精确测量压缩态光场在实验中具有重要意义。在实验中经光学参量放大器输出的光场压缩态的边带能量主要集中在载波上，边带上无任何能量。产生的压缩光的载波具有所需的相干振幅的所有信息，是明亮压缩态，而其边带模是没有相干振幅的真空场。因此，无法通过主动稳定的方式提取出任何边带模共振所需的信号，在实验上限制提取所需信号模式并锁定到滤波腔上，实现共振输出。
发明内容
为解决上面的问题，在先前的实验中我们采用了一种辅助控制系统。辅助光经波导相位调制器WGM调制后，生成与压缩光边模同频的的调制边带。设计合适的滤波腔，使其与压缩态的边模与辅助光的调制频率同时共振，将辅助光与压缩光在滤波腔上进行合束，即可提取所需的边带。但此方案中输出的边带经滤波腔输出后变为明亮光场，在后续的实验中引入了辅助光的经典噪声，对实验造成干扰。
针对上述问题本发明提供了一种结构简单，操作便捷，可以不引入经典噪声提取真空边模的的装置和方法。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
本发明提供一种提取真空边模的装置，包括激光准备部分，移相器1，双色分束镜，光学参量放大器OPA，法拉第隔离器，电光相位调制器1，半波片，偏振分束棱镜，波导相位调制器，滤波腔，反射镜，电光相位调制器2，移相器2，分束镜(99：1)，光电探测器1，光电探测器2，光电探测器3；所述的激光准备部分用于生成1064nm的红外光和532nm的绿光；所述的双色分束镜用于耦合1064nm和532nm的激光到OPA，通过双色分束镜的1064nm激光全部反射，532nm激光全部透射；所述光学参量放大器用来生成压缩态光场；所述法拉第隔离器连接于电光相位调制器1用来保证激光单向传播；所述半波片和偏振分束棱镜用于将1064nm红外光分为两束；所述波导相位调制器用来生成辅助光的调制边带；所述电光相位调制器1、电光相位调制器2分别用来生成偏振分束棱镜产生两束光的调制边带锁定腔长及相对位相；所述移相器1、移相器2用于调节两束光的相对位相；所述反射镜用于将生成的压缩态光场注入99：1分束镜上，然后在滤波腔上进行合束；所述滤波腔用于提取压缩光的真空边模；所述分束镜(99：1)用于提取微弱信号进行滤波腔腔长和压缩光与辅助光位相锁定；所述光电探测器1、光电探测器2用于产生误差信号锁定腔长及位相；所述光电探测器3用于测量所提取到的真空边模。
本发明还提供一种基于上述装置提取真空边模的方法，包括以下步骤：
步骤1，在激光准备部分生成两束激光，即1064nm的红外光和532nm的绿光；532nm的绿光作为泵浦光，1064nm的红外光经半波片和偏振分束棱镜调节偏振和功率后分为两束光B1和B2，B1经电光相位调制器1调制后作为种子光和532nm的泵浦光注入光学参量放大器腔中生成多对参量下转换模式的压缩态光场；
步骤2，B2经调制频率为ωf波导相位调制器调制后生成具有ω0±nωf(n＝1，2，3...)的光场，即辅助光；
步骤3，将步骤1输出的压缩态光场与步骤2辅助光在99∶1的分束镜上耦合，弱光进入光电探测器2产生误差信号进行锁定，强光注入滤波腔内，设计滤波腔与二者的边带同时共振输出，提取真空边模，通过光电探测器3进行探测，即得到真空边模的特征与所需的信息。
进一步，所述步骤1中光束B1在注入光学参量放大器腔前，经过电光调制器1调制，产生用于锁定光学参量放大器腔长和泵浦光与种子光相对位相的调制边带，从法拉第隔离器的反射端取信号，注入光电探测器1产生误差信号，用于锁定。
所述步骤2中光束B2通过波导相位调制器进行调制产生的调制边带，在99：1分束镜的弱光部分取信号注入电光调制器2中，用于产生锁定滤波腔的腔长和辅助光与压缩光相对位相的调制边带。
所述步骤3中通过设计滤波腔与二者的边带同时共振输出，提取真空边模的具体过程为：首先，调节波导相位调制器的调制频率，使B2输出的辅助光的边带与压缩态光场的边带同频，且满足滤波腔的共振条件，实现共振输出；然后通过调节波导相位调制器的调制频率将辅助光的边带移开一个滤波腔的自由光谱区后，再次注入滤波腔内，通过滤波腔简并的共振模式，实现共振输出。
更进一步，所述种子光与泵浦光的相对位相通过移相器1进行调节，将其锁定在π位相，即可产生振幅压缩态光场。
所述辅助光和压缩光相对位相通过移相器2进行调节。
所述步骤1中压缩态光场的载波为振幅相干的明亮压缩光，边模为不包含能量的真空压缩光。
所述锁定均使用PDH技术。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
1、本发明利用一束相干辅助光与压缩光场边模进行拍频，调整辅助光的频率，使其与边带频率相差滤波腔的一个自由光谱区，将滤波腔通过PDH技术锁定到辅助光频率上，由于腔的共振频率是简并的，因此改变调制频率后的辅助光也可以与滤波腔达到共振，实现共振输出。此方法得到的边模与辅助光不同频，因此辅助光与压缩光场的边带并不会发生干涉，也不会引入额外的相干光的经典噪声，输出的压缩光场边模仍为真空模式，即可获得纯净的真空边模。
2、本发明方法装置简单，操作方便，且不会引入额外的相位噪声，可以将真空边模锁定到滤波腔上提取所需的边带，获得真空边模进行后续的探测。
附图说明
图1是本发明提取真空边模的装置和方法的工作原理示意图；标记说明：(1)-激光准备部分，(2)-移相器1，(3)-双色分束镜，(4)-光学参量放大器，(5)-法拉第隔离器，(6)-电光相位调制器，(7)-半波片，(8)-偏振分束棱镜，(9)-波导相位调制器，(10)-滤波腔，(11)-反射镜，(12)-光电相位调制器2，(13)-移相器2，(14)-分束镜(99：1)，(15)-光电探测器1，(16)-光电探测器2，(17)-光电探测器3。
图2是调节波导相位调制器调制频率之前的光场模式图；标记说明：(a)：OPA的输出光场模式图；(b)：波导相位调制器调制后的辅助光光场模式图；(c)滤波腔的共振模式图。
图3是波导相位调制器调制频率移动一个光学腔自由光谱区之后的光场模式图；标记说明：(a)：OPA的输出光场模式图；(b)：波导相位调制器调制后的辅助光光场模式图；(c)滤波腔的共振模式图。
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。以下实施方式用于说明本发明，但不用来限制本发明的保护范围。
结合图1，进一步说明本发明一种提取真空边模的装置和方法的具体实施方式。本发明的思路是根据滤波腔的共振频率是简并的原理，使辅助光的调制边带与所测量压缩态光场的边模频率相差一个滤波腔的自由光谱区，在滤波腔内共振输出，即可实现真空边模的提取与测量。
图1为本发明的实验装置图，在实验中我们所用的具体实验装置为：激光准备部分(1)，移相器1(2)，双色分束镜(3)，光学参量放大器OPA(4)，法拉第隔离器(5)，电光相位调制器1(6)，半波片(7)，偏振分束棱镜(8)，波导相位调制器(9)，滤波腔(10)，反射镜(11)，电光相位调制器2(12)，移相器2(13)，分束镜(99：1)(14)，光电探测器1(15)，光电探测器2(16)，光电探测器3(17)。激光准备部分(1)生成532nm和1064nm的两束光，532nm的激光作为泵浦光注入光学参量放大器OPA(4)腔生成压缩光。1064nm的激光经半波片7和偏振分束棱镜8分为两束：一束作为种子光注入OPA(4)腔中，这束光在注入OPA(4)腔前，经过电光调制器1(6)调制，产生用于锁定OPA腔和泵浦光和种子光相对位相的调制边带，将光注入光电探测器1(15)产生误差信号，用于锁定。泵浦光和种子光的相对位相通过移相器1(2)进行调节，法拉第隔离器(5)保证光束单向传播，防止反射光对实验造成干扰；另一束光通过波导相位调制器(9)进行调制产生调制边带，在99：1分束镜(14)的弱光部分取信号注入电光调制器2(12)中，用于产生锁定滤波腔(10)的腔长和辅助光和压缩光相对位相的调制边带，辅助光和压缩光相对位相的通过移相器2(13)进行调节。OPA(4)输出的压缩光经反射镜(11)与辅助光在99：1的分束镜(14)上耦合，弱光进入光电探测器2(16)产生误差信号进行锁定，强光注入滤波腔(10)，共振输出，提取真空边模，通过光电探测器3(17)进行探测。
具体地，采用上述的装置，提取真空边模的方法为：在上游光路中，我们制备了1064nm和532nm的两束光，532nm的绿光作为泵浦光直接注入OPA(4)腔中。1064nm的红外光经半波片(7)和偏振分束棱镜(8)调节偏振和功率后分为两束光B1和B2，B1经电光相位调制器1(6)调制后作为种子光注入OPA(4)，与OPA共振，种子光光路中的电光相位调制器1(6)用于生成锁定OPA(4)腔长和种子光与泵浦光相对位相的调制边带，从法拉第隔离器(5)的反射端取信号，注入光电探测器1(15)产生误差信号，用于锁定。在本装置中，种子光与泵浦光的相对位相通过移相器1(2)进行调节，将其相对位相锁定在π位相，在OPA(4)腔的输出端即可产生振幅压缩态光场。在满足OPA(4)腔共振条件下，OPA(4)腔输出的光束包含多对光学参量下转换模式，其频率为ω0±nωf(n＝1，2，3...)，OPA(4)的输出载波ω0为振幅相干的明亮压缩光，其边带(例如，ω0±ωf)为不包含任何能量的真空压缩光，其光场模式图具体可参照图2和图3中的(a)。1064nm输出的另一束光束B2经调制频率ωf为波导相位调制器(9)调制，生成具有ω0±nωf(n＝1，2，3...)的光场，这束光称为辅助光，其模式图如图2和图3中的(b)所示。辅助光束B2由电光相位调制器2(12)进行调制，并在1：99分束镜上(14)与明亮压缩光束耦合。然后采用光电探测器2(16)采集耦合光提取误差信号，稳定地将辅助光的载波与被压缩光的载波锁定到零位相，辅助光与压缩光位相通过移相器2(13)进行调节。在将两束光同时注入滤波腔(10)后，首先，调节波导相位调制器(9)的调制频率为ωf，使B2输出的辅助光的边带与OPA(4)输出的边带同频，且满足滤波腔(10)的共振条件，其具体光场模式图如图2所示，在图2中我们可以明显看出OPA(4)的边模，辅助光的边带，以及滤波腔的共振模式完美重合，因此可以实现共振输出。然后通过调节波导相位调制器(9)的调制频率将辅助光的边带移一个滤波腔(10)的自由光谱区，即ωf±Δθ(Δθ为滤波腔的自由光谱区)后，再次注入滤波腔内，由于滤波腔的共振模式是简并的，因此改变调制频率后的辅助光也可以与滤波腔达到共振，实现输出。此时OPA(4)输出光场，WGM调制后光场，滤波腔共振模式如图3所示。在图3中，我们可以具体的看出此时OPA(4)边模和辅助光的边带与滤波腔的不同共振模式重合，由于OPA(4)的边模与辅助光的边带相差一个自由光谱区，因此二者并不同频，OPA(4)的输出场仍为真空模式。输出后的光场经光电探测器3(17)探测即可测到真空边模的特征与所需的信息。
最后应说明的是：以上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 (9)

1.一种提取真空边模的装置，其特征在于：包括激光准备部分(1)，移相器1(2)，双色分束镜(3)，光学参量放大器(4)，法拉第隔离器(5)，电光相位调制器1(6)，半波片(7)，偏振分束棱镜(8)，波导相位调制器(9)，滤波腔(10)，反射镜(11)，电光相位调制器2(12)，移相器2(13)，99：1分束镜(14)，光电探测器1(15)，光电探测器2(16)，光电探测器3(17)；所述激光准备部分(1)用于生成1064nm的红外光和532nm的绿光；所述双色分束镜(3)用来耦合两束激光到光学参量放大器(4)，通过双色分束镜的光：1064nm的激光全部反射，532nm的激光全部透射；所述光学参量放大器(4)用来生成压缩态光场；所述法拉第隔离器(5)连接于电光相位调制器1(6)后用来保证激光单向传播；所述半波片(7)和偏振分束棱镜(8)用于将1064nm红外光分为两束，其中的一束红外光经波导相位调制器(9)用来生成辅助光的调制边带，另一束红外光通过双色分束镜(3)用来与532nm的绿光耦合；所述电光相位调制器1(6)、电光相位调制器2(12)分别用来生成偏振分束棱镜(8)产生两束光的调制边带锁定腔长及相对位相；所述移相器1(2)用于调节532nm的绿光和通过双色分束镜(3)的一束红外光的相对位相，所述移相器2(13)用于调节经过波导相位调制器(9)、电光相位调制器2(12)的红外光和光学参量放大器(4)生成的压缩态光的相对位相；所述反射镜(11)用于将生成的压缩态光场注入99：1分束镜上，然后在滤波腔(10)上进行合束；所述滤波腔(10)用于提取压缩光的真空边模；所述99：1分束镜(14)用于提取微弱信号进行滤波腔腔长和压缩光与辅助光位相锁定；所述光电探测器1(15)、光电探测器2(16)用于产生误差信号锁定腔长及位相；所述光电探测器3(17)用于测量所提取到的真空边模。
2.一种基于权利要求1所述装置提取真空边模的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，在激光准备部分(1)生成两束激光，即1064nm的红外光和532nm的绿光；532nm的绿光作为泵浦光，1064nm的红外光经半波片(7)和偏振分束棱镜(8)调节偏振和功率后分为两束光B1和B2，B1经电光相位调制器1(6)调制后作为种子光和532nm的泵浦光注入光学参量放大器(4)腔中生成多对参量下转换模式的压缩态光场；
步骤2，B2经调制频率为ωf波导相位调制器(9)调制后生成具有ωo±nωf(n＝1，2，3…)的光场，即辅助光；
步骤3，将步骤1输出的压缩态光场与步骤2的辅助光在99：1分束镜(14)上耦合，弱光进入光电探测器2(16)产生误差信号进行锁定，强光注入滤波腔(10)内，设计滤波腔与二者的边带同时共振输出，提取真空边模，通过光电探测器3(17)进行探测，即得到真空边模的特征与所需的信息。
3.根据权利要求2所述的一种提取真空边模的方法，其特征在于：所述步骤1中光束B1在注入光学参量放大器(4)腔前，经过电光相位调制器1(6)调制，产生用于锁定光学参量放大器腔长和泵浦光与种子光相对位相的调制边带，从法拉第隔离器(5)的反射端取信号，注入光电探测器1(15)产生误差信号，用于锁定。
4.根据权利要求2所述的一种提取真空边模的方法，其特征在于：所述步骤2中光束B2通过波导相位调制器(9)进行调制产生的调制边带，在99：1分束镜(14)的弱光部分取信号注入电光相位调制器2(12)中，用于产生锁定滤波腔(10)的腔长和辅助光与压缩光相对位相的调制边带。
5.根据权利要求2所述的一种提取真空边模的方法，其特征在于：所述步骤3中通过设计滤波腔与二者的边带同时共振输出，提取真空边模的具体过程为：首先，调节波导相位调制器(9)的调制频率，使B2输出的辅助光的边带与压缩态光场的边带同频，且满足滤波腔的共振条件，实现共振输出；然后通过调节波导相位调制器(9)的调制频率将辅助光的边带移开一个滤波腔的自由光谱区后，再次注入滤波腔(10)内，通过滤波腔简并的共振模式，实现共振输出。
6.根据权利要求3所述的一种提取真空边模的方法，其特征在于：所述种子光与泵浦光的相对位相通过移相器1(2)进行调节，将其锁定在π位相，即可产生振幅压缩态光场。
7.根据权利要求4所述的一种提取真空边模的方法，其特征在于：所述辅助光和压缩光相对位相通过移相器2(13)进行调节。
8.根据权利要求2所述的一种提取真空边模的方法，其特征在于：所述步骤1中压缩态光场的载波为振幅相干的明亮压缩光，边模为不包含能量的真空压缩光。
9.根据权利要求2～4任一项所述的一种提取真空边模的方法，其特征在于：所述锁定均使用PDH技术。
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