CN204256335U - 一种基于光学参量过程的非线性干涉仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于光学参量过程的非线性干涉仪，包括：激光器、第一半波片、第二半波片、第三半波片、第一极化分束器、第二极化分束器、声光调制器、第一格兰激光棱镜、第二格兰激光棱镜、第一铷池和第二铷池。激光器输出的泵浦光经转变形成探针光、第二垂直偏振光和第三垂直偏振光；探针光和第二垂直偏振光在第一铷池内发生四波混频效应形成第一探针光与第一共轭光；第三垂直偏振光分别和第一探针光及第一共轭光于第二铷池中心内发生四波混频效应，分别输出第二探针光和第二共轭光。本实用新型利用85Rb原子蒸汽中双“∧”能级结构的非简并四波混频过程产生替代传统干涉仪中的分束器与合束器，干涉条纹对比度可以达到99％左右。
Description
技术领域
本实用新型属于精密测量技术领域，特别涉及一种基于光学参量过程的非线性干涉仪。
背景技术
在精密测量领域，光学干涉仪是有效的手段。如Mach-Zehnder干涉仪，如今是引力波探测系统(Gravitational-Wave Observatory)的核心部分。干涉仪常用来测量位相的变化，位相变化的测量精度一直以来都是科学家们挑战的课题。在干涉仪的输入端，真空噪声涨落给位相测量带来一个测量精度的极限，叫做标准量子极限(Standard Quantum Limit)，也叫散粒噪声极限(Shot Noise Limit)。1981年，C.M.Caves在他的论文里指出，如果采用压缩光这种非经典光源作为干涉仪的输入，可以降低系统噪声，提高信噪比，从而使位相测量的灵敏度突破标准量子极限甚至达到海森堡极限(Heisenberg Limit)。此后为了使位相测量精度能够突破标准量子极限，已有多个实验研究组分别采用压缩态光源注入干涉仪从而提高了干涉仪的信噪比。目前许多理论工作也证明应用非经典光源，如压缩态(Squeezed States)，Fock态，以及NOON态等非经典光源填补干涉仪的真空通道可以突破标准量子极限。然而，这类干涉仪对于来自干涉仪外部或是内部的损耗都非常敏感。
除了以上谈及的Mach-Zehnder干涉仪用来突破标准量子极限之外，另外一种干涉仪是B.Yurke 1986提出的SU(1,1)非线性干涉仪。这种干涉仪的基本结构和Mach-Zehnder干涉仪类似。在Mach-Zehnder干涉仪中，用两个传统的分束镜来对入射光进行分束和合束；在非线性干涉仪当中，两个分束镜分别被两个四波混频非线性参量放大器代替。Yurke等在理论上证明在没有损耗的情况下，这种非线性干涉仪可以将相位测量精度提高到海森堡极限。Plick等也在理论上研究过类似的方案，通过将相干态注入参量放大过程，最后可以增加光子数从而提高测量精度。因此，目前亟需一种非线性干涉仪将相干态注入参量放大过程以提高相位测量精度。
近期美国国家标准与技术研究院的Paul Lett教授研究小组在实验上发现了利用碱金属铷原子蒸气(85Rb)中四波混频过程可以实现比较理想的四波混频放大器。本实用新型利用两个四波混频过程分别代替传统干涉仪中的光学分束器与合束器，首次提出并实现了一种基于光学参量过程的非线性干涉仪。此基于光学参量过程的非线性干涉仪干涉条纹对比度可以达到99％左右。与线性干涉仪相比，此非线性干涉仪具有更高的信噪比和相位灵敏度。
实用新型内容
本实用新型提出了一种基于光学参量过程的非线性干涉仪，包括：激光器、第一半波片、第二半波片、第三半波片、第一极化分束器、第二极化分束器、声光调制器、第一格兰激光 棱镜、第二格兰激光棱镜、第一铷池和第二铷池；所述激光器输出的泵浦光依次射入第一半波片和第一极化分束器；所述第一极化分束器透射端射出第一水平偏振光，折射端射出第一垂直偏振光；所述第二半波片与所述第二极化分束器设置在所述第一极化分束器的折射端，所述第二极化分束器的透射端射出第二水平偏振光，折射端射出第二垂直偏振光；所述第三半波片设置在所述第二极化分束器的透射端，所述第二水平偏振光经过所述第三半波片转变为第三垂直偏振光；所述声光调制器设置在所述第一极化分束器的透射端，调制所述第一水平偏振光形成探针光；所述第一格兰激光棱镜设置在所述声光调制器的输出端和所述第二极化分束器的折射端，将所述探针光和所述第二垂直偏振光相交于所述第一铷池内；所述探针光和所述第二垂直偏振光在所述第一铷池内发生四波混频效应，放大形成第一探针光与第一共轭光；所述第三垂直偏振光经所述第二格兰激光棱镜反射，与透射过所述第二格兰激光棱镜的第一探针光和第一共轭光分别交叉于所述第二铷池中心；所述第三垂直偏振光分别与所述第一探针光和第一共轭光发生四波混频效应，分别输出第二探针光和第二共轭光。
本实用新型提出的所述基于光学参量过程的非线性干涉仪中，所述激光器为钛宝石激光器。
本实用新型提出的所述基于光学参量过程的非线性干涉仪中，进一步包括第一透镜组，所述第一透镜组设置在所述第二极化分束器的透射端和所述第二格兰激光棱镜之间。
本实用新型提出的所述基于光学参量过程的非线性干涉仪中，进一步包括第二透镜组，所述第二透镜组设置在所述第一铷池和所述第二铷池之间。
本实用新型提出的所述基于光学参量过程的非线性干涉仪中，进一步包括设置在所述第一铷池和所述第二铷池之间的相移器。
本实用新型提出的所述基于光学参量过程的非线性干涉仪中，进一步包括第一格兰汤姆森棱镜和第一光束收集器；所述第一格兰汤姆森棱镜设置在所述第一铷池的输出端；所述第一格兰汤姆森棱镜的折射端设有所述第一光束收集器。
本实用新型提出的所述基于光学参量过程的非线性干涉仪中，进一步包括第二格兰汤姆森棱镜和第二光束收集器；所述第二格兰汤姆森棱镜设置在所述第二铷池的输出端；所述第二格兰汤姆森棱镜的折射端设有所述第二光束收集器。
本实用新型提出的所述基于光学参量过程的非线性干涉仪中，在所述第一铷池的中心，所述探针光和所述第二垂直偏振光以0.4°相交。
本实用新型提出的所述基于光学参量过程的非线性干涉仪中，在所述第二铷池的中心，所述第一探针光和所述第一共轭光分别与所述第三垂直偏振光以0.4°相交。
本实用新型的有益效果在于：本实用新型利用85Rb原子蒸汽中双“∧”能级结构的非简 并四波混频过程产生替代传统干涉仪中的分束器与合束器，干涉条纹对比度可以达到99％左右。与传统干涉仪相比，此非线性干涉仪具有更高的信噪比和相位灵敏度，其信噪比比线性干涉仪提高了4.1dB。
附图说明
图1为本实用新型基于光学参量过程的非线性干涉仪的结构图。
图2为一具体实施例中基于光学参量过程的非线性干涉仪的结构图。
图3为本实用新型的85Rb原子双“∧”结构及非简并四波混频过程的示意图。
图4为本实用新型非线性干涉仪两个输出端的干涉条纹，其中，图4(a)为信号光的干涉条纹，曲线(b)为共轭光的干涉条纹。
图5为本实用新型共轭光通道干涉条纹最大强度的对数值随干涉仪内部相敏场强度的对数值的变化曲线。
图6为本实用新型非线性干涉仪的干涉信号(i)与线性干涉仪的干涉信号(ii)对比。
图7为本实用新型非线性干涉仪与线性干涉仪的量子噪声测量结果对比。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明。实施本实用新型的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本实用新型没有特别限制内容。
本实用新型利用85Rb原子双“∧”能级结构的非简并四波混频过程产生双模压缩真空态(分别标记为信号光与共轭光)，然后将这两个通道重新注入到另一个四波混频过程。当第一个四波混频过程有注入时，研究了该干涉仪的经典特性，其输出端干涉条纹对比度可以达到99％左右，且实验验证了其非线性特性。当第一个四波混频过程注入被挡住时，研究了该干涉仪的量子特性，发现其信噪比比线性干涉仪提高了4.1dB.预计该干涉仪具有更高的相位灵敏度，在精密测量领域具有潜在的应用。
如图1所示，本具体实施方式中基于光学参量过程的非线性干涉仪包括：激光器1、第一反射镜21、第二反射镜22、第三反射镜23、第一半波片31、第二半波片32、第三半波片33，第一极化分束器41、第二极化分束器42，声光调制器5，第一格兰激光棱镜61、第二格兰激光棱镜62、第一铷池71、第二铷池72、第一格兰汤姆森棱镜81、第二格兰汤姆森棱镜82、第一光束收集器91、第二光束收集器92、第一透镜组101和第二透镜组102。
本例中，激光器1为钛宝石激光器，其具有输出功率高、光斑好、线宽窄、频率调节范围广等其他激光器不具备的优势。激光器1发出一束波长为795nm功率为1W的泵浦光，激光频率为85Rb原子D1线(5S1/2→5P1/2,795nm)蓝失谐0.8GHz，激光线宽为100kHz。第一反射 镜21设置在激光器1的输出端，沿第一反射镜21的反射方向依次设置第一半波片31和第一极化分束器41。第一半波片31用于调节泵浦光的偏振，与第一极化分束器41相配合调节第一极化分束器41透射端与折射端的分光比。第一反射镜21将光束依次反射至第一半波片31和第一极化分束器41后分为不同方向的两路光束：其一是从第一极化分束器41的透射端输出的功率为200mW的第一水平偏振光，另一是从折射端射出的功率为800mW的第一垂直偏振光。
第一极化分束器41的透射端依次设置声光调制器5和第二反射镜22。第一水平偏振光经过声光调制器5之后频率红移3.04GHz，其功率约为1mW。
第一极化分束器41的折射端依次设置第二半波片32、第二极化分束器42、第一透镜组101、第三半波片33和第三反射镜23。第二极化分束器42的反射方向上设有第一格兰激光棱镜61。第一垂直偏振光经过第二极化分束器42之后进一步分为偏振相互垂直的两束光分别作为两个四波混频过程的泵浦光，即为第二垂直偏振光和第三垂直偏振光。第二垂直偏振光被第二极化分束器42反射至第一格兰激光棱镜61作为第一泵浦光。第三垂直偏振光经第三反射镜23反射至第二格兰激光棱镜62作为第二泵浦光。其中，第一极化分束器41和第二极化分束器42之间设置有第二半波片32。第二半波片32用于调节第一垂直偏振光的偏振，与第二极化分束器42相配合调节第二极化分束器42透射端与折射端的分光比。第一垂直偏振光经过第二半波片32与第二极化分束器42后输出的两束偏振光的功率各为400mW。在第一透镜组101和第三反射镜23之间设置第三半波片33，用于将第二极化分束器42输出的第二水平偏振光转变为第三垂直偏振光。第一透镜组101作为4f系统用于保证两束泵浦光在两个铷池中心腰斑一致。
沿第二反射镜22的反射方向依次设置第一格兰激光棱镜61、第一铷池71、第一格兰汤姆森棱镜81、第二透镜组102、第二格兰激光棱镜62、第二铷池72和第二格兰汤姆森棱镜82。探针光被第二反射镜22反射并透射过第一格兰激光棱镜61。第一格兰激光棱镜61使上述探针光和第二垂直偏振光在第一铷池71中心以0.4°相交。根据四波混频原理及上述实验条件，经过第一铷池71后，探针光的功率被放大至G倍，同时新产生一束同样为水平偏振功率约为注入探针光G-1倍的共轭光，如图1、2中的虚线所示。探针光与共轭光对称分布于泵浦光的两侧，满足相位匹配条件(能量守恒与动量守恒)。如图3所示，5S1/2、5P1/2为85Rb原子的精细结构，F＝2、F＝3为精细结构5S1/2的超精细分裂，其能级差为3.036GHz。泵浦光频率为 85Rb原子D1线(5S1/2→5P1/2,795nm)蓝失谐0.8GHz。虚线所示为85Rb原子的虚能级，能级差同样为3.036GHz。在非简并四波混频过程中，一束相对于泵浦光红失谐3.04GHz的弱探针光与强泵浦光相互作用，探针光功率被增强，同时产生一束与探针光功率基本相等相对于泵 浦光蓝失谐3.04GHz的共轭光。
第一格兰汤姆森棱镜81设置在第一铷池71的后方，其消光比为105:1，可以消去大部分第二垂直偏振光。第一光束收集器91设置在第一格兰汤姆森棱镜81的上方，用来挡住剩余的第二垂直偏振光。
第一个四波混频过程产生的第一探针光与第一共轭光经第二格兰激光棱镜62传播至第二铷池72，并各自与第三垂直偏振光发生第二个四波混频过程。位于第一格兰汤姆森棱镜81与第二格兰激光棱镜62之间的第二透镜组102作为4f系统用来保证第一探针光、第一共轭光与第二探针光、第二共轭光分别在两个铷池中心腰斑相同。第二格兰汤姆森棱镜82与第二光束收集器92一起用于消去第三垂直偏振光。由于第二个四波混频过程中第二探针光与第二共轭光同时与第三垂直偏振光作用，导致其输出的两个通道各有频率相同的两束光，从而使得这两个通道出现了干涉现象。优选地，相移器11设置在第一个四波混频过程产生的第一探针光场用来改变干涉仪内部相敏场的相位。如果将这两个四波混频过程分别看作是对探针光的分束与合束，那么该系统就可以类比传统的Mach-Zehnder线性干涉仪。不同的是，利用参量放大的四波混频过程替代传统干涉仪中的分束器，使得输出场的场强可以大于入射场的场强。
参阅图2，第一探测器121、第二探测器122、第三探测器123、分束器13、减法器14和频谱分析仪15构成此实用新型基于光学参量过程的非线性干涉仪的探测装置。第一探测器121用于探测干涉仪探针光输出端的干涉信号。第二探测器122、第三探测器123、分束器13与减法器14一同用于对共轭光输出端进行平衡零拍探测。频谱分析仪15置于减法器14之后并与其相连，输出信号的噪声功率谱。
如图4所示，图4(a)显示的是第一探测器121所探测到的第二探针光输出端的干涉条纹，图4(b)显示的是所探测到的共轭光输出端的干涉条纹。两个输出端干涉对比度分别达到94.5％和98.6％。同时也测量了干涉仪共轭光输出端干涉条纹最大值随干涉仪内部相敏场强度的变化，如图5所示(结果以对数-对数表示)，数据点为实验结果，曲线为由实验数据的拟合结果，虚线表示斜率为2的直线，可见共轭光输出端与干涉仪内部相敏场是一个二次方的关系，即说明了它们之间的非线性关系。插图为线性强度关系曲线，同样表明了非线性趋势。
图6显示了本实用新型基于光学参量过程的非线性干涉仪与线性干涉仪的干涉强度对比。令两种干涉仪相敏场功率都为60μW并扫描相敏场相位。图中非线性干涉仪(ⅰ)的干涉最强的强度约为线性干涉仪(ⅱ)干涉最强的强度的5.5倍(7.4dB)，说明非线性干涉仪比线性干涉仪有7.4dB的信号增强。
图7显示了本实用新型基于光学参量过程的非线性干涉仪与线性干涉仪的量子噪声测量 结果对比。使用另一套四波混频方法产生新的共轭光作为本底光和非线性干涉仪的共轭光输出端进行平衡零拍探测进行噪声测量。其中(ⅰ)表示真空噪声(即标准量子极限)，等于线性干涉仪在干涉相消时的噪声。(ⅱ)为非线性干涉仪在干涉相消时的噪声。当扫描相敏场相位时，得到(ⅲ)。其中(ⅱ)就是(ⅲ)的最低点所处的位置。为了说明非线性干涉能降低噪声，挡住第一铷池71和第二铷池72之间的干涉仪中两个臂的其中一个(探针光或共轭光)得到的噪声是(ⅳ)所示的结果。可以看出(ⅳ)的噪声远远比真空噪声和非线性干涉仪干涉相消时的噪声高很多。(ⅴ)显示的是单个蒸汽池的噪声情况，可以看出非线性干涉仪在干涉相消时的噪声比单个放大器的噪声要低。然而非线性干涉仪的干涉最低点的噪声并没有达到真空噪声的水平，比真空噪声仍然高出3.3dB，但图6的结果表明其相对线性干涉仪有7.4dB的信号增强，为此仍然将信噪比提高了4.1dB的水平。这就在实验上证实了非线性干涉仪发生的量子干涉不仅可以放大信号，而且在干涉相消时可以将大部分关联噪声抵消。干涉仪内部存在光学损耗，带来额外的无关联的真空噪声，无法被抵消，光学损耗的存在是非线性干涉仪的噪声最低值高于标准量子极限的主要因素。
本实用新型的保护内容不局限于以上实施例。在不背离实用新型构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本实用新型中，并且以所附的权利要求书为保护范围。
Claims (9)
1.一种基于光学参量过程的非线性干涉仪，其特征在于，包括：激光器(1)、第一半波片(31)、第二半波片(32)、第三半波片(33)、第一极化分束器(41)、第二极化分束器(42)、声光调制器(5)、第一格兰激光棱镜(61)、第二格兰激光棱镜(62)、第一铷池(71)和第二铷池(72)；
所述激光器(1)输出的泵浦光依次射入第一半波片(31)和第一极化分束器(41)；所述第一极化分束器(41)透射端射出第一水平偏振光，折射端射出第一垂直偏振光；所述第二半波片(32)与所述第二极化分束器(42)设置在所述第一极化分束器(41)的折射端，所述第二极化分束器(42)的透射端射出第二水平偏振光，折射端射出第二垂直偏振光；所述第三半波片(33)设置在所述第二极化分束器(42)的透射端，所述第二水平偏振光经过所述第三半波片(33)转变为第三垂直偏振光；
所述声光调制器(5)设置在所述第一极化分束器(41)的透射端，调制所述第一水平偏振光形成探针光；所述第一格兰激光棱镜(61)设置在所述声光调制器(5)的输出端和所述第二极化分束器(42)的折射端，将所述探针光和所述第二垂直偏振光相交于所述第一铷池(71)内；所述探针光和所述第二垂直偏振光在所述第一铷池(71)内发生四波混频效应，放大形成第一探针光与第一共轭光；
所述第三垂直偏振光经所述第二格兰激光棱镜(62)反射，与透射过所述第二格兰激光棱镜(62)的第一探针光和第一共轭光分别交叉于所述第二铷池(72)中心；所述第三垂直偏振光分别与所述第一探针光和第一共轭光发生四波混频效应，分别输出第二探针光和第二共轭光。
2.如权利要求1所述的基于光学参量过程的非线性干涉仪，其特征在于，所述激光器(1)为钛宝石激光器。
3.如权利要求1所述的基于光学参量过程的非线性干涉仪，其特征在于，进一步包括第一透镜组(101)，所述第一透镜组(101)设置在所述第二极化分束器(42)的透射端和所述第二格兰激光棱镜(62)之间。
4.如权利要求1所述的基于光学参量过程的非线性干涉仪，其特征在于，进一步包括第二透镜组(102)，所述第二透镜组(102)设置在所述第一铷池(71)和所述第二铷池(72)之间。
5.如权利要求1所述的基于光学参量过程的非线性干涉仪，其特征在于，进一步包括设置在所述第一铷池(71)和所述第二铷池(72)之间的相移器(11)。
6.如权利要求1所述的基于光学参量过程的非线性干涉仪，其特征在于，进一步包括第一格兰汤姆森棱镜(81)和第一光束收集器(91)；所述第一格兰汤姆森棱镜(81)设置在所 述第一铷池(71)的输出端；所述第一格兰汤姆森棱镜(81)的折射端设有所述第一光束收集器(91)。
7.如权利要求1所述的基于光学参量过程的非线性干涉仪，其特征在于，进一步包括第二格兰汤姆森棱镜(82)和第二光束收集器(92)；所述第二格兰汤姆森棱镜(82)设置在所述第二铷池(72)的输出端；所述第二格兰汤姆森棱镜(82)的折射端设有所述第二光束收集器(92)。
8.如权利要求1所述的基于光学参量过程的非线性干涉仪，其特征在于，在所述第一铷池(71)的中心，所述探针光和所述第二垂直偏振光以0.4°相交。
9.如权利要求1所述的基于光学参量过程的非线性干涉仪，其特征在于，在所述第二铷池(72)的中心，所述第一探针光和所述第一共轭光分别与所述第三垂直偏振光以0.4°相交。
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