CN116207602A - 激光稳频装置和方法以及离子阱量子计算机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光稳频装置和方法以及离子阱量子计算机，属于量子计算机领域。激光稳频装置包括电光调制组件、三路分束镜、声光调制组件、碘分子蒸气池、光电探测器、锁相放大器和PID控制器。由电光调制组件对出射激光进行空间电光调制；由三路分束镜分束为参考光、初始探测光和初始泵浦光，声光调制组件按第二调制信号对初始泵浦光进行声光调制得到声光调制泵浦光；声光调制泵浦光与初始探测光经碘分子蒸气池制备输出调制探测光；调制探测光和参考光输入光电探测器，锁相放大器接收光电探测器的探测电信号和第二调制信号，输出误差电信号至PID控制器产生锁频控制信号发送至激光器。本发明能够提高激光器出射激光的输出稳定度。

Description

激光稳频装置和方法以及离子阱量子计算机
技术领域
本发明涉及量子计算机技术领域，尤其涉及激光稳频装置和方法以及离子阱量子计算机。
背景技术
量子计算已成为当前及未来日益瞩目的科技领域之一。离子阱量子计算机能够满足量子计算要求，其在物理比特质量和逻辑门保真度等方面具有相当优势。离子阱技术利用电磁场使离子被限制并悬浮在自由空间中。离子阱作为量子计算的单元，通过激光激发原子，令原子自发辐射光子，光子携带信息在光纤中传输，通过激光和微波等操控手段使离子和光子发生纠缠。
离子阱量子计算机中需要稳定的369nm激光，但369nm激光无法直接产生，需要通过739nm激光通过倍频方式间接产生。若要获得稳定的369nm激光，就需要依赖稳定的739nm激光。因此，如何确保739nm激光器的频率稳定性成为需要解决的关键技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供激光稳频装置和方法以及离子阱量子计算机，通过调制转移光谱与饱和吸收谱结合的方式稳定激光器频率输出，以提高激光器出射激光的输出稳定度，满足在离子阱量子计算机应用中的要求。
根据本发明的一方面，提供一种激光稳频装置，用于对激光器进行稳频，所述装置包括：
电光调制组件，用于对激光器的出射激光采用第一调制信号进行空间电光调制后输出至三路分束镜；三路分束镜，用于将空间电光调制后的激光分束为参考光、初始探测光、初始泵浦光；声光调制组件，用于对初始泵浦光采用第二调制信号进行声光调制后制备输出声光调制泵浦光；碘分子蒸气池，用于接收按重合路径对向入射的所述声光调制泵浦光与所述初始探测光，制备输出调制探测光；光电探测器，用于接收所述调制探测光和所述参考光，输出探测电信号；锁相放大器，用于接收所述探测电信号和所述第二调制信号，输出误差电信号；PID控制器，用于接收所述误差电信号，输出锁频控制信号至激光器。
根据本发明的一个实施例，所述电光调制组件包括电光调制器和第一信号源，其中：所述电光调制器是空间电光调制器，用于采用第一调制信号对出射激光进行空间电光调制；所述第一信号源用于输出所述第一调制信号至所述电光调制器。
根据本发明的一个实施例，所述声光调制组件包括声光调制器和第二信号源，其中：所述声光调制器用于采用第二调制信号对初始泵浦光进行声光调制；所述第二信号源用于输出所述第二调制信号至所述声光调制器。
根据本发明的一个实施例，所述稳频装置还包括第一偏振组件和第二偏振组件，其中：第一偏振组件位于三路分束镜与碘分子蒸气池之间，用于将初始探测光的偏振状态从线偏振光变为圆偏振光后入射到碘分子蒸气池；第二偏振组件位于声光调制组件与碘分子蒸气池之间，用于将声光调制泵浦光的偏振状态从线偏振光变为圆偏振光后入射到碘分子蒸气池；所述初始探测光与所述调制探测光具有相同的偏振状态。
根据本发明的一个实施例，所述参考光和初始探测光的分束比为等比关系。
根据本发明的一个实施例，所述参考光和所述调制探测光的强度比为等比关系。
根据本发明的一个实施例，所述声光调制组件采用第二调制信号对初始泵浦光进行声光调制的次数为1次、或2次、或多次。
根据本发明的另一方面，基于上述的激光稳频装置，还提供一种提供激光稳频方法，包括：
采用第一调制信号对激光器的出射激光进行空间电光调制后分束为参考光、初始探测光、初始泵浦光；采用第二调制信号对初始泵浦光进行声光调制后制备产生声光调制泵浦光；将所述声光调制泵浦光和所述初始探测光采用重合路径对向入射至碘分子蒸气池，制备得到调制探测光；将所述调制探测光与所述参考光输入至光电探测器，输出探测电信号至锁相放大器；将所述探测电信号与所述第二调制信号输入至锁相放大器，输出误差电信号至PID控制器；将PID控制器输出的锁频控制信号输出至激光器，根据所述锁频控制信号锁定激光器出射激光波长。
根据本发明的一个实施例，所述第一调制信号为9.87GHz的正弦波信号；所述第二调制信号为47kHz的正弦波信号。
根据本发明的另一方面，还提供一种离子阱量子计算机，包括上述的激光稳频装置。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
1、通过对激光器的出射激光采用空间电光调制，拓展了出射激光的频率谱线空间，可以将激光锁定在非原子谱线频率，在实现频率调制的基础上，还可实现光强调制，提高了调制后频率光束的功率。激光信号强度的提高必然增大光电探测器接收到的光信号，进而导致输出至锁相放大器的电信号的信噪比提升。
2、采用声光调制技术压窄了激光器出射激光的线宽，得到更窄线宽的声光调制泵浦光，从而将调制信号在饱和吸收过程中转移到探测光中，提高了探测信号质量。
3、采用两次或多次声光调制对实现饱和吸收光谱的泵浦光进行调制，可以减少激光信号抖动，提高锁频稳定性。
4、利用偏振分光组件调整了实现饱和吸收光谱的泵浦光和探测光的偏振状态，采用具有相同偏振态的泵浦光和探测光入射至碘分子蒸气室可以进一步提高了信号质量。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述目的和特点将会变得更加清楚。
图1示出的是根据本发明示例性实施例的激光稳频装置的示意性结构图。
图2示出的是根据本发明示例性实施例的激光稳频方法的示意性流程图。
图3示出的是根据本发明示例性实施例的采用两次声光调制的激光稳频装置的示意性结构图。
具体实施方式
本发明的构思在于：
首先，采用电光调制方式对激光器的出射激光进行调制，将电光调制后的出射激光分束为参考光、初始探测光和初始泵浦光；再采用声光调制将初始泵浦光进行调制后转化为声光调制泵浦光；将声光调制泵浦光与初始探测光按重合路径对向入射进入碘分子蒸气池；利用碘分子蒸气池实现调制后的饱和吸收光谱，通过饱和吸收光谱达到激光稳频的目的。通过调制转移光谱与饱和吸收谱结合的方式，实现了对激光器出射激光频率的精确控制以及对频率长时间稳定性的锁频控制。
下面，将参照附图来详细说明本发明的实施例。
图1示出的是根据本发明的示例性实施例的激光稳频装置的示意性结构框图。图1所示的激光稳频装置200，用于对激光器100进行稳频，包括电光调制（EOM）组件201、三路分束镜202、声光调制组件203、碘分子蒸气池204、光电探测器206、锁相放大器207及PID控制器208。激光器100出射激光，在一些示例中激光器出射激光波长为739nm；激光稳频装置200用于对激光器100进行激光稳频，提高出射激光的频率稳定性。
电光调制（EOM）组件201用于对激光器100的出射激光（例如739nm激光）采用第一调制信号进行电光调制后输出至三路分束镜202；三路分束镜202用于将电光调制后的激光分束为参考光、初始探测光和初始泵浦光；声光调制组件203用于采用第二调制信号对初始泵浦光进行一次或多次声光调制后制备并输出声光调制泵浦光，在一些示例中声光调制的次数为两次；碘分子蒸气池204用于按重合路径接收对向入射的所述声光调制泵浦光与所述初始探测光，制备并输出调制探测光。
光电探测器206用于接收所述调制探测光和所述参考光，输出探测电信号至锁相放大器207；锁相放大器207用于接收所述探测电信号和所述第二调制信号，输出误差电信号至PID控制器208；PID控制器208用于接收所述误差电信号，输出锁频控制信号至激光器100。激光器100根据锁频控制信号锁定出射激光频率。
图2示出的是根据本发明的示例性实施例的激光稳频方法的示意性流程图。参照图2，图2示出的激光稳频方法包括以下步骤：
步骤S201，采用第一调制信号对激光器的出射激光进行空间电光调制后分束为参考光、初始探测光、初始泵浦光； 在一些示例中激光器出射激光波长为739nm。
步骤S202，采用第二调制信号对初始泵浦光进行声光调制后制备产生声光调制泵浦光；在一些示例中声光调制的次数为1次，或两次，或三次。
步骤S203，将所述声光调制泵浦光和所述初始探测光采用重合路径对向入射至碘分子蒸气池，制备得到调制探测光。
步骤S204，将所述调制探测光与所述参考光共同输入至光电探测器，输出探测电信号至锁相放大器。
步骤S205，将所述探测电信号与所述第二调制信号共同输入至锁相放大器，输出误差电信号至PID控制器。
步骤S206，将PID控制器输出的锁频控制信号输出至激光器，根据所述锁频控制信号锁定激光器出射激光波长。
参照图1和图2，在一些示例中，激光器的出射激光为739nm激光。所述参考光和初始探测光的分束比为等比关系，或者所述参考光和所述调制探测光的强度比为等比关系。所述第一调制信号为9.87GHz的正弦波信号；所述第二调制信号为47kHz的正弦波信号。声光调制组件采用第二调制信号对初始泵浦光进行声光调制的次数为2次。
在一些示例中，所述初始探测光与所述调制探测光具有相同的偏振状态。
所述激光稳频装置还包括第一偏振组件205A和第二偏振组件205B，第一偏振组件205A位于三路分束镜与碘分子蒸气池之间，用于将初始探测光的偏振状态从线偏振光变为圆偏振光后入射到碘分子蒸气池；第二偏振组件205B位于声光调制组件与碘分子蒸气池之间，用于将声光调制泵浦光的偏振状态从线偏振光变为圆偏振光后入射到碘分子蒸气池。在一些示例中，第一偏振组件205A和第二偏振组件205B为四分之一波片。在一些示例中，在初始探测光与所述调制探测光入射进入碘分子蒸气池之前利用透镜调整光束形状。在一些示例中，透镜为f=200mm的凸透镜。
在一些示例中，激光稳频装置还包括第一偏振分光组件，置于出射激光进入电光调制组件之前的光路中，包括第一半波片、第一偏振分束器（PBS，Polarization BeamSplitter）、第一透镜，出射激光经第一半波片调整偏振状态后由第一偏振分束器分为P光和S光，透过的P光经第一透镜调整光束形状后进入电光调制组件。在一些示例中，第一透镜为f=100mm的凸透镜。
在一些示例中，激光稳频装置还包括第二偏振分光组件，置于初始泵浦光进入声光调制组件之前的光路中，包括第二半波片、第二偏振分束器（PBS）、第二透镜，初始泵浦光经第二半波片调整偏振状态后由第二偏振分束器分为P光和S光，透过的P光经第二透镜调整光束形状后进入声光调制组件。在一些示例中，第二透镜为f=100mm的凸透镜。
在一些示例中，激光稳频装置还包括第三偏振分光组件，置于声光调制泵浦光进入第二偏振组件205B之前的光路中，包括第三偏振分束器（PBS），声光调制泵浦光经第三偏振分束器分为P光和S光，透过的P光经第二偏振组件205B后进入碘分子蒸气池。从碘分子蒸气池出射的调制探测光经第二偏振组件205B、第三偏振分光组件进入光电探测器。
在一些示例中，激光稳频装置还包括第三偏振组件，置于电光调制组件与三路分束镜之间，用于对电光调制后的出射激光进行光束和偏振状态调整。第三偏振组件包括第三透镜和第三半波片，在一些示例中，第三透镜为f=100mm的凸透镜。
在一些示例中，激光稳频装置还包括第四偏振组件和全反镜，第四偏振组件置于声光调制组件与全反镜之间，用于对将第一次声光光调制后的声光调制泵浦光反射后重新进入声光调制组件进行第二次声光调制。第四偏振组件包括第四透镜和第三四分之一波片，在一些示例中，第四透镜为f=100mm的凸透镜。第一次声光光调制后的声光调制泵浦光经第四透镜调整光束、经第三四分之一波片调整偏振后到达全反镜。经全反镜反射反向后的第一次声光光调制后的声光调制泵浦光经第三四分之一波片调整偏振、经第四透镜调整光束后再次进入声光调制组件进行第二次声光调制，制备产生第二次声光光调制后的声光调制泵浦光。第二次声光光调制后的声光调制泵浦光经第二偏振分光组件、第三偏振分光组件、第二偏振组件进入碘分子蒸气池。
如图3所示，给出了实施例的采用两次声光调制的激光稳频装置的工作原理示意图。
激光器的出射激光为739nm激光，出射激光经过第一偏振分光组件进入电光调制组件。第一偏振分光组件包括第一半波片、第一偏振分束器（PBS）、第一透镜（f=100mm），电光调制组件，包括空间电光调制器（空间EOM）和第一信号源（信号源1），空间电光调制器（EOM）调制频谱范围在kHz, MHz和GHz范围。空间电光调制器按照第一信号源提供的9.87GHz的正弦波信号进行空间电光调制。
空间电光调制器对出射激光的电光调制采用频率调制形式，按照第一调制信号进行电光调制后出射激光携带了调制频率信息，并且频率调制后激光一方面频率发生了频移，另一方面强度也被调制增强。在第一调制信号控制下拓展谱线空间，增强出射激光P光的功率强度。由于光电探测器的信号响应直接受所接收的光强度变化影响，在增强出射激光的功率强度之后，可以增强信号强度，提高最终检测得到的信号信噪比。
出射激光经过第一半波片调整偏振后进入第一偏振分束器PBS，在第一偏振分束器将出射激光分成传播方向互相垂直的两束光：P光和S光。P光沿出射激光路径进入第一透镜调整光束形状，光束调整后进入空间电光调制器（EOM）进行空间电光调制。S光沿着与出射激光路径垂直方向出射后入射到挡板。第一偏振分束器PBS确保出射激光的偏振状态，使得进入空间电光调制器的P光为线偏振光。
空间电光调制后的出射激光经第三偏振组件到达三路分束镜。第三偏振组件包括第三透镜（f=100mm）和第三半波片。三路分束镜按照分束比将空间电光调制后的激光分束为三路光：参考光、初始探测光和初始泵浦光。在一些示例中，分束比为4%：4%：92%。而在另一些示例中，分束比可灵活调整，但需要确保入射到光电探测器的所述参考光和所述调制探测光的强度比为等比关系。
参考光经过反射镜反射后进入光电探测器，在一些示例中，光电探测器为平衡光电探测器。
初始探测光经第一偏振组件后入射进入碘分子蒸气池。初始探测光经过第一四分之一波片、焦距为f=200mm的凸透镜后进入入碘分子蒸气池。
初始泵浦光经过第二偏振分光组件进入声光调制组件。第二偏振分光组件包括第二半波片、第二偏振分束器（PBS）、第二透镜，在一些示例中，为光束传播还可包括反射镜。初始泵浦光经第二半波片调整偏振状态后由第二偏振分束器分为P光和S光，透过的P光经第二透镜调整光束形状后进入声光调制组件。在一些示例中，第二透镜为f=100mm的凸透镜。
声光调制器按照来自第二信号源（信号源2）的第二调制信号对初始泵浦光进行声光调制，将初始泵浦光转化为声光调制泵浦光。一些示例中，第二调制信号为47kHz 的正弦波信号。声光调制器出射的调制泵浦光为一级光，即为+1或-1级衍射光。经过声光调制后，在第二调制信号控制下可以实现移频，压窄入射的初始泵浦光的线宽而转化为频率更精准的声光调制泵浦光。
经声光调制器第一次声光光调制后的声光调制泵浦光经过第四偏振组件到达全反镜。第一次声光光调制后的声光调制泵浦光经第四透镜调整光束、经第三四分之一波片调整偏振后到达全反镜。第四透镜为f=100mm的凸透镜。
经全反镜反射反向后的第一次声光光调制后的声光调制泵浦光经第三四分之一波片调整偏振、经第四透镜调整光束后再次进入声光调制组件进行第二次声光调制，制备产生第二次声光光调制后的声光调制泵浦光。
第二次声光光调制后的声光调制泵浦光经第二偏振分光组件、第三偏振分光组件、第二偏振组件进入碘分子蒸气池。第二次声光光调制后的声光调制泵浦光经第二透镜、第二偏振分束器PBS、反射镜连续90度反射后传播方向反转，反向的声光光调制后的声光调制泵浦光经第三偏振分束器PBS、第二四分之一波片及焦距为f=100mm的凸透镜后入射进入碘分子蒸气池。
初始探测光与反向的声光调制泵浦光采用重合路径和相反的传播方向入射进入碘分子蒸气池。声光调制泵浦光入射进入碘分子蒸气池形成饱和吸收谱。初始探测光经过碘分子蒸气池之后携带着声频调制信号的信息，从碘分子蒸气池出射后作为制备得到的调制探测光。
调制探测光沿着初始探测光传播路径和方向经过焦距为f=100mm的凸透镜和第二四分之一波片后到达第三偏振分束器PBS，由第三偏振分束器出射后进入光电探测器。
光电探测器对参考光和调制探测光进行接收探测后输出探测电信号至锁相放大器。该探测电信号为参考光与调制探测光的差值转换得到。锁相放大器根据探测电信号和用于声光调制的第二调制信号输出误差电信号至PID控制器。第二调制信号送进锁相放大器作为参考电信号，锁相放大器将参考电信号与经过碘分子蒸气池的饱和吸收谱的探测电信号进行比较，即可获得激光器与碘分子饱和吸收谱线的锁定位置之间的误差电信号。PID控制器根据误差电信号经过比例、积分、微分计算后得到锁频控制信号并输出至激光器。激光器根据锁频控制信号锁定出射激光频率。进入碘分子蒸气池的声光调制泵浦光经过两次声光调制。两次声光调制可以减小激光信号的抖动，使得信号特征更加平稳，缩小最终信号检测误差范围。
尽管已参照优选实施例表示和描述了本申请，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本申请的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行各种修改和变换。

Claims (10)

1.一种激光稳频装置，其特征在于，用于对激光器进行稳频，包括：
电光调制组件，用于对激光器的出射激光采用第一调制信号进行空间电光调制后输出至三路分束镜；
三路分束镜，用于将空间电光调制后的激光分束为参考光、初始探测光、初始泵浦光；
声光调制组件，用于对初始泵浦光采用第二调制信号进行声光调制后输出声光调制泵浦光；
碘分子蒸气池，用于接收按重合路径对向入射的所述声光调制泵浦光与所述初始探测光，输出调制探测光；
光电探测器，用于接收所述调制探测光和所述参考光，输出探测电信号；
锁相放大器，用于接收所述探测电信号和所述第二调制信号，输出误差电信号；
PID控制器，用于接收所述误差电信号，输出锁频控制信号至激光器。
2.根据权利要求1所述的激光稳频装置，其特征在于，所述电光调制组件包括电光调制器和第一信号源，其中：所述电光调制器是空间电光调制器，用于采用第一调制信号对出射激光进行空间电光调制；所述第一信号源用于输出所述第一调制信号至所述电光调制器。
3.根据权利要求1所述的激光稳频装置，其特征在于，所述声光调制组件包括声光调制器和第二信号源，其中：所述声光调制器用于采用第二调制信号对初始泵浦光进行声光调制；所述第二信号源用于输出所述第二调制信号至所述声光调制器。
4.根据权利要求1所述的激光稳频装置，其特征在于，所述激光稳频装置还包括第一偏振组件和第二偏振组件，其中：第一偏振组件位于三路分束镜与碘分子蒸气池之间，用于将初始探测光的偏振状态从线偏振光变为圆偏振光后入射到碘分子蒸气池；第二偏振组件位于声光调制组件与碘分子蒸气池之间，用于将声光调制泵浦光的偏振状态从线偏振光变为圆偏振光后入射到碘分子蒸气池；所述初始探测光与所述调制探测光具有相同的偏振状态。
5.根据权利要求1所述的激光稳频装置，其特征在于，所述参考光和初始探测光的分束比为等比关系。
6.根据权利要求1所述的激光稳频装置，其特征在于，所述参考光和所述调制探测光的强度比为等比关系。
7.根据权利要求1所述的激光稳频装置，其特征在于，
所述声光调制组件采用第二调制信号对初始泵浦光进行声光调制的次数为1次、或2次、或多次。
8.一种根据权利要求1至7中任一项所述激光稳频装置的激光稳频方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用第一调制信号对激光器的出射激光进行空间电光调制后分束为参考光、初始探测光、初始泵浦光；
采用第二调制信号对初始泵浦光进行声光调制后制备产生声光调制泵浦光；
将所述声光调制泵浦光和所述初始探测光采用重合路径对向入射至碘分子蒸气池，制备得到调制探测光；
将所述调制探测光与所述参考光输入至光电探测器，输出探测电信号至锁相放大器；
将所述探测电信号与所述第二调制信号输入至锁相放大器，输出误差电信号至PID控制器；
将PID控制器输出的锁频控制信号输出至激光器，根据所述锁频控制信号锁定激光器出射激光波长。
9.根据权利要求8所述的激光稳频方法，其特征在于，
所述第一调制信号为9.87GHz的正弦波信号；所述第二调制信号为47kHz的正弦波信号。
10.一种离子阱量子计算机，其特征在于，包括权利要求1至7中任意一项所述的激光稳频装置。
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