CN116609985B - 一种基于折返式周期极化晶体的紧凑型纠缠光源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学元件技术领域，尤其涉及一种基于折返式周期极化晶体的紧凑型纠缠光源，包括偏振分束器、第一针对泵浦光波长的λ/2波片、温控器、周期极化晶体、延迟用玻璃片、第一直角棱镜、第二针对泵浦光波长的λ/2波片及第二直角棱镜，周期极化晶体固装于温控器上，第一针对泵浦光波长的λ/2波片固装于周期极化晶体的输入端，偏振分束器及第一直角棱镜固装于第一针对泵浦光波长的λ/2波片的外侧，延迟用玻璃片及第二针对泵浦光波长的λ/2波片固装于周期极化晶体的输出端，第二直角棱镜固装于延迟用玻璃片及第二针对泵浦光波长的λ/2波片的外侧。本发明提供的光源体积小巧，光损耗少，抗冲击性能好且参量光生成效率高。
Description
技术领域
本发明涉及光学元件技术领域，尤其涉及一种基于折返式周期极化晶体的紧凑型纠缠光源。
背景技术
近年来，光纤传感得到了长足发展，其中光纤陀螺仪作为典型的惯性导航设备，在军用及民用领域均有重要应用。随着深远海条件下的高精度、高可靠导航信息需求光纤陀螺仪作为满足上述应用要求的惯性导航系统的核心元件，其精度直接决定着惯性导航系统的性能。
提高光纤陀螺灵敏度的传统方案主要靠增加光纤环圈尺寸和光纤长度来提高灵敏度，这将带来诸多新缺点，如增加系统复杂程度、引入更大的Shupe误差，即光纤陀螺环圈中存在位置不对称的温度扰动时，两束反向传播光束在不同时间经过这段光纤将产生一个非互易相移。不对称的应力变化也会产生类似的非互易相移。这种由温度扰动引起的Sagnac干涉仪的非互易性被称为Shupe误差，光纤陀螺灵敏度继续提升遇到瓶颈。
2012年，中国科学院国家授时中心董瑞芳发表专利号为201110449108.5，名称为《基于量子效应的干涉型光纤陀螺仪》的专利，文件中提出通过参量下转换产生一对具有量子关联的光子，经过光轴与偏振呈22.5°夹角的二分之一波片转换成以左、右旋圆偏振为基矢的N00N，然后经过由光纤环圈构成的Sagnac干涉仪，对旋转角速度引起的相位差进行测量。该方案相比传统干涉型陀螺主要有如下两种优点：其一，光纤陀螺的分辨率会受到工作波长的影响，工作波长越小，同样的转速引起的Sagnac相移越大，也就是说陀螺对外界输入的转速更敏感。可以在不改变系统光源的前提下，将相位测量精度提升N倍。其二，/>的N00N态即数态/>和真空态/>的纠缠，测量极限降为相干态的/>，即测量精度提升倍；同理使用数态/>和真空态/>的纠缠N00N态光可以将测量极限降为相干态的倍，即测量精度提升/>倍。
申请人在公开号为CN115164865A的专利“一种基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺及其工作方法”中提出一种全新的基于光量子高阶干涉效应的光纤陀螺方案。该方案由预报单光子源产生的一对光子分别从光纤敏感环路两端入射，经过保偏光纤敏感环路后从共轭端口输出，经分束装置后两光子相遇并发生量子干涉；具有探测范围广，灵敏度高，易于集成化等诸多优点，可用于惯性导航、地球自转测量等多个领域。但是由于该专利提出的方案中的量子光源为空间光路，其尺寸比较大，无法安装在光纤环圈内环范围内，且抗冲击性较差，参量光生成效率也比较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于折返式周期极化晶体的紧凑型纠缠光源，体积小巧，光损耗少，抗冲击性能好且参量光生成效率高。
本发明是通过以下技术方案予以实现：
一种基于折返式周期极化晶体的紧凑型纠缠光源，包括偏振分束器、第一针对泵浦光波长的λ/2波片、温控器、周期极化晶体、延迟用玻璃片、第一直角棱镜、第二针对泵浦光波长的λ/2波片及第二直角棱镜，所述周期极化晶体固定安装于温控器上，所述第一针对泵浦光波长的λ/2波片密封的固定安装于周期极化晶体的输入端，且第一针对泵浦光波长的λ/2波片的光轴方向与水平方向的夹角为22.5°，所述偏振分束器及第一直角棱镜密封的固定安装于第一针对泵浦光波长的λ/2波片的外侧且第一直角棱镜位于偏振分束器侧面，所述延迟用玻璃片及第二针对泵浦光波长的λ/2波片密封的固定安装于周期极化晶体的输出端且第二针对泵浦光波长的λ/2波片位于延迟用玻璃片侧面，所述第二针对泵浦光波长的λ/2波片的光轴方向与水平方向的夹角为45°，所述第二直角棱镜密封的固定安装于延迟用玻璃片及第二针对泵浦光波长的λ/2波片的外侧。
进一步，偏振分束器同时覆盖泵浦光波长及参量光波长。
进一步，周期极化晶体内平行设置多个畴。
优化的，周期极化晶体的每个畴周期为量级，且第一个畴及最后一个畴的厚度为中间畴厚度的一半。
进一步，第一针对泵浦光波长的λ/2波片紧贴周期极化晶体的输入端并通过胶合的方式密封固定，偏振分束器及第一直角棱镜分别与第一针对泵浦光波长的λ/2波片的外侧紧贴并通过胶合的方式密封固定，且偏振分束器侧面与第一直角棱镜侧面紧贴，所述延迟用玻璃片及第二针对泵浦光波长的λ/2波片紧贴周期极化晶体的输出端并通过胶合的方式密封固定，且第二针对泵浦光波长的λ/2波片侧面与延迟用玻璃片紧贴，第二直角棱镜紧贴延迟用玻璃片及第二针对泵浦光波长的λ/2波片的外侧并通过胶合的方式密封固定。
优选的，延迟用玻璃片为的延迟用玻璃片，其中/>为相位差。
发明的有益效果：
1.结构均由微型器件构成，体积小巧，整个器件尺寸小于22mm×15mm，能够安装于光纤陀螺仪的光纤环圈内环范围内，能够适用于利用光纤中高速传输的光子感知角速度或角加速度的基于量子高阶干涉的光纤陀螺及量子增强光纤陀螺；
2.器件之间均采用胶合方式密封固定，相比空间器件组成的同样光路，一方面减少器件和空气构成的分界面，有效减少整个器件的光损耗，另一方面，器件之间不会发生相对位移，抗冲击性好，同时对环境温度改变不敏感，光路结构稳定；
3.泵浦光在周期极化晶体的畴结构中传输，经过了一个往返，可以重复利用畴结构，省去了制作一半长度的周期极化晶体的畴结构，一方面减小了整个光源的体积，另一方面降低了加工难度的同时减小了可能带来的加工误差；
4.光源的参量光生成效率比较高。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图中：1.偏振分束器，2.第一针对泵浦光波长的λ/2波片，3.温控器，4.周期极化晶体，5.延迟用玻璃片，6.第二直角棱镜，7.第二针对泵浦光波长的λ/2波片，8.第一直角棱镜。
具体实施方式
一种基于折返式周期极化晶体的紧凑型纠缠光源，具体结构示意图如图1所示，包括偏振分束器1、第一针对泵浦光波长的λ/2波片2、温控器3、周期极化晶体4、延迟用玻璃片5、第一直角棱镜8、第二针对泵浦光波长的λ/2波片7及第二直角棱镜6，所述周期极化晶体固定安装于温控器上，温控器通过闭环负反馈回路可以将温度稳定在设定范围内；周期极化晶体内平行设置多个畴，用于对泵浦光产生自发参量下转换过程；
第一针对泵浦光波长的λ/2波片密封的固定安装于周期极化晶体的输入端，且第一针对泵浦光波长的λ/2波片的光轴方向与水平方向的夹角为22.5°，第一针对泵浦光波长的λ/2波片其等效于参量光波长的λ/4波片，将光轴方向与水平方向夹角设置为22.5°，其作用之一是为旋转泵浦光偏振方向以满足发生非线性过程所需的相位匹配条件，其作用之二将泵浦光变为水平偏振态分量和竖直偏振态分量的叠加；
偏振分束器及第一直角棱镜密封的固定安装于第一针对泵浦光波长的λ/2波片的外侧且第一直角棱镜位于偏振分束器侧面，偏振分束器的作用是对泵浦光进行分束及对经过自发参量下转换过程产生的参量光进行合束；
延迟用玻璃片及第二针对泵浦光波长的λ/2波片密封的固定安装于周期极化晶体的输出端且第二针对泵浦光波长的λ/2波片位于延迟用玻璃片侧面，第二针对泵浦光波长的λ/2波片的光轴方向与水平方向的夹角为45°，第二针对泵浦光波长的λ/2波片的作用是将泵浦光水平偏振态转换为竖直偏振态，经过自发参量下转换过程产生的竖直偏振态的参量光变为左旋或右旋圆偏振态；延迟用玻璃片用于对经过的光进行相位补偿；
第二直角棱镜密封的固定安装于延迟用玻璃片及第二针对泵浦光波长的λ/2波片的外侧，第一直角棱镜及第二直角棱镜均为在两直角边镀增反膜在斜边镀增透膜的直角棱镜，用于反射泵浦光和参量光。
本发明提供的一种基于折返式周期极化晶体的紧凑型纠缠光源，其工作原理为：一、泵浦光从偏振分束器的入射面入射后，经偏振分束器透射的水平偏振态泵浦光沿逆时针方向传播进入第一针对泵浦光波长的λ/2波片，由于第一针对泵浦光波长的λ/2波片的光轴方向设置为和水平方向夹角为22.5°，以泵浦光中心波长为例，水平偏振态泵浦光经过该波片后就会旋转45°，变为水平偏振态分量和竖直偏振态分量的叠加进入周期极化晶体，进入周期极化晶体的水平偏振态分量不发生自发参量下转换过程而直接透过周期极化晶体，进入延迟用玻璃片产生相位差，然后再入射至第二直角棱镜，经过反射，再从第二直角棱镜的同一面出射，入射至第二针对泵浦光波长的λ/2波片，而进入周期极化晶体的竖直偏振态分量经过周期极化晶体发生参量下转换，产生竖直偏振态的参量光光子对进入延迟用玻璃片产生相位差，然后再入射至第二直角棱镜，经过反射，再从第二直角棱镜的同一面出射，入射至第二针对泵浦光波长的λ/2波片，由于第二针对泵浦光波长的λ/2波片的光轴方向与水平方向的夹角为45°，水平偏振态分量经过该波片，一部分变为竖直偏振态，另一部分仍然为水平偏振态后再次入射周期极化晶体，而竖直偏振态的参量光光子对则被调制为左旋圆偏振态，转变为竖直偏振态的那部分泵浦光透过周期极化晶体后发生自发参量下转换，产生竖直偏振态的参量光光子对，并与被调制为左旋圆偏振态的参量光光子发生模式叠加后再经过第一针对泵浦光波长的λ/2波片射出后，最终从第一针对泵浦光波长的λ/2波片射出，最终从第一针对泵浦光波长的λ/2波片射出的光如式（1）所示：
（1）；
其中，为水平偏振态参量光双光子，/>为水平偏振态参量光双光子，为参量光子对中一个光子处于水平偏振态，另一个光子处于竖直偏振态，/>为相位差，/>为虚数；
由式（1）可以看出，通过采用的延迟用玻璃片，可以使叠加后的量子态变为，经过第一直角棱镜反射后入射回偏振分束器，以进一步提高参量光生成效率。
而另一部分仍然为水平偏振态的泵浦光再次入射周期极化晶体后直接透过周期极化晶体后不发生变化，从周期极化晶体射出后经过第一针对泵浦光波长的λ/2波片及第一直角棱镜反射后入射回偏振分束器而重复利用，以进一步提高效率。
二、泵浦光从偏振分束器的入射面入射后，经偏振分束器后的竖直偏振态泵浦光沿顺时针方向传播，首先经偏振分束器反射后入射至第一直角棱镜，经第一直角棱镜反射后再入射至第一针对泵浦光波长的λ/2波片，变为水平偏振态分量和竖直偏振态分量的叠加进入周期极化晶体；
进入周期极化晶体的水平偏振态分量不发生自发参量下转换过程直接透过周期极化晶体而进入第二针对泵浦光波长的λ/2波片，经过第二针对泵浦光波长的λ/2波片后一部分变为竖直偏振态，另一部分仍然为水平偏振态入射至第二直角棱镜后再通过延迟用玻璃片产生相位差，然后再回到周期极化晶体，具体在周期极化晶体内的变化原理及过程同第一部分，然后再经过第一针对泵浦光波长的λ/2波片返回至偏振分束器；
而进入周期极化晶体的竖直偏振态分量经过周期极化晶体发生参量下转换，产生竖直偏振态的参量光光子对而进入第二针对泵浦光波长的λ/2被调制为右旋圆偏振态后进入第二直角棱镜，再从第二直角棱镜的同一面出射，通过延迟用玻璃片产生相位差，然后再回到周期极化晶体，具体在周期极化晶体内的变化原理及过程同第一部分，然后再经过第一针对泵浦光波长的λ/2波片返回至偏振分束器；
顺时针方向传播和逆时针传播成分相干叠加，经过归一化，最终从偏振分束器输出的态可表示为式（2）：
（2）；
其中：表示参量光子对中一个光子处于水平偏振态，另一个光子处于竖直偏振态，/>表示与/>光子对偏振态交换的情况，也就是说参量光子对中一个光子处于竖直偏振态，另一个光子处于水平偏振态。
从本发明的工作原理可以看出，泵浦光在周期极化晶体的结构中传输，经过了一个往返，一方面可以重复利用畴结构，另一方面可以省去制作一半长度的周期极化畴结构，降低加工难度的同时减小可能带来的加工误差，并且提高了自发参量的转换效率；而且本发明中各部件均为微型器件，且部件之间紧贴固定，整个器件尺寸小于22mm×15mm，能够安装于光纤陀螺仪的光纤环圈内环范围内，能够适用于利用光纤中高速传输的光子感知角速度或角加速度的基于量子高阶干涉的光纤陀螺及量子增强光纤陀螺。
进一步，偏振分束器同时覆盖泵浦光波长及参量光波长，便于对泵浦光与参量光的接收与射出。
优化的，周期极化晶体的每个畴周期为量级，且第一个畴及最后一个畴的厚度为中间畴厚度的一半。
进一步，第一针对泵浦光波长的λ/2波片紧贴周期极化晶体的输入端并通过胶合的方式密封固定，偏振分束器及第一直角棱镜分别与第一针对泵浦光波长的λ/2波片的外侧紧贴并通过胶合的方式密封固定，且偏振分束器侧面与第一直角棱镜侧面紧贴，所述延迟用玻璃片及第二针对泵浦光波长的λ/2波片紧贴周期极化晶体的输出端并通过胶合的方式密封固定，且第二针对泵浦光波长的λ/2波片侧面与延迟用玻璃片紧贴，第二直角棱镜紧贴延迟用玻璃片及第二针对泵浦光波长的λ/2波片的外侧并通过胶合的方式密封固定，器件之间均采用胶合方式密封固定，相比空间器件组成的同样光路，一方面减少器件和空气构成的分界面，有效减少整个器件的光损耗，另一方面，器件之间不会发生相对位移，抗冲击性好，同时对环境温度改变不敏感，光路结构稳定。
综上所述，本发明提供的一种基于折返式周期极化晶体的紧凑型纠缠光源，体积小巧，光损耗少，抗冲击性能好且参量光生成效率高。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于折返式周期极化晶体的紧凑型纠缠光源，其特征在于，包括偏振分束器、第一针对泵浦光波长的λ/2波片、温控器、周期极化晶体、延迟用玻璃片、第一直角棱镜、第二针对泵浦光波长的λ/2波片及第二直角棱镜，所述周期极化晶体固定安装于温控器上，所述第一针对泵浦光波长的λ/2波片密封的固定安装于周期极化晶体的输入端，且第一针对泵浦光波长的λ/2波片的光轴方向与水平方向的夹角为22.5°，所述偏振分束器及第一直角棱镜密封的固定安装于第一针对泵浦光波长的λ/2波片的外侧且第一直角棱镜位于偏振分束器侧面，所述延迟用玻璃片及第二针对泵浦光波长的λ/2波片密封的固定安装于周期极化晶体的输出端且第二针对泵浦光波长的λ/2波片位于延迟用玻璃片侧面，所述第二针对泵浦光波长的λ/2波片的光轴方向与水平方向的夹角为45°，所述第二直角棱镜密封的固定安装于延迟用玻璃片及第二针对泵浦光波长的λ/2波片的外侧。
2.根据权利要求1所述的一种基于折返式周期极化晶体的紧凑型纠缠光源，其特征在于，所述偏振分束器同时覆盖泵浦光波长及参量光波长。
3.根据权利要求1所述的一种基于折返式周期极化晶体的紧凑型纠缠光源，其特征在于，周期极化晶体内平行设置多个畴。
4.根据权利要求3所述的一种基于折返式周期极化晶体的紧凑型纠缠光源，其特征在于，周期极化晶体的每个畴周期为量级，且第一个畴及最后一个畴的厚度为中部的畴厚度的一半。
5.根据权利要求1所述的一种基于折返式周期极化晶体的紧凑型纠缠光源，其特征在于，第一针对泵浦光波长的λ/2波片紧贴周期极化晶体的输入端并通过胶合的方式密封固定，偏振分束器及第一直角棱镜分别与第一针对泵浦光波长的λ/2波片的外侧紧贴并通过胶合的方式密封固定，且偏振分束器侧面与第一直角棱镜侧面紧贴，所述延迟用玻璃片及第二针对泵浦光波长的λ/2波片紧贴周期极化晶体的输出端并通过胶合的方式密封固定，且第二针对泵浦光波长的λ/2波片侧面与延迟用玻璃片紧贴，第二直角棱镜紧贴延迟用玻璃片及第二针对泵浦光波长的λ/2波片的外侧并通过胶合的方式密封固定。
6.根据权利要求1所述的一种基于折返式周期极化晶体的紧凑型纠缠光源，其特征在于，所述延迟用玻璃片为的延迟用玻璃片，其中/>为相位差。
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| CN116609985A (zh) | 2023-08-18 |
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