RU2811388C1

RU2811388C1 - Method for stabilizing narrow-band sources of non-classical states of light obtained by intra-cavity generation of spontaneous parametric light scattering, and device for its implementation

Info

Publication number: RU2811388C1
Application number: RU2023110161A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Олегович Акатьев; Ильнур Зиннурович Латыпов
Original assignee: Открытое Акционерное Общество "Российские Железные Дороги"
Filing date: 2023-04-20
Publication date: 2024-01-11

Abstract

FIELD: quantum and nonlinear optics.

SUBSTANCE: method for stabilizing the wavelengths of various non-classical states of light. A method for stabilizing narrow-band sources of non-classical states of light obtained by intra-cavity generation of spontaneous parametric light scattering and a device for its implementation includes: generation of reference radiation at a target wavelength, scanning the transmission of the optical cavity of the source of non-classical states of light, changing the effective optical length of the source cavity, detuning the reference laser radiation from the target wavelength, stabilization of a tunable single-frequency reference laser, stabilization of the source optical resonator, adjustment of the effective length of the optical resonator.

EFFECT: stabilization of narrow-band non-classical states of light with an accuracy of the sub-MHz range.

3 cl, 4 dwg

Description

Технические решения относятся к области квантовой и нелинейной оптики, квантовой электроники, а именно к способу стабилизации длин волн различных неклассических состояний света, например, однофотонных или двухфотонных перепутанных, на основе спонтанного параметрического рассеяния, а также к устройству для реализации указанного способа, и могут быть использованы в различных областях, в том числе спектроскопии, волоконной оптической связи, медицине и др., в устройствах для управления спектром лазерного излучения.Technical solutions relate to the field of quantum and nonlinear optics, quantum electronics, namely to a method for stabilizing the wavelengths of various non-classical states of light, for example, single-photon or two-photon entangled, based on spontaneous parametric scattering, as well as to a device for implementing this method, and can be used in various fields, including spectroscopy, fiber optical communications, medicine, etc., in devices for controlling the spectrum of laser radiation.

Управление параметрами излучения является одной из основных задач квантовой и нелинейной оптики. К числу таких параметров относятся поляризация, угловые и спектральные распределения, корреляционные и временные свойства и др. Актуальной задачей является управление спектром излучения источников, которые генерируют оптические квантовые носители информации. В частности, одной из важных задач является контроль и стабилизация длины волны источников узкополосных неклассических состояний света.Control of radiation parameters is one of the main problems of quantum and nonlinear optics. Such parameters include polarization, angular and spectral distributions, correlation and temporal properties, etc. An urgent task is to control the emission spectrum of sources that generate optical quantum information carriers. In particular, one of the important tasks is the control and stabilization of the wavelength of sources of narrow-band non-classical states of light.

Внутрирезонаторный метод генерации спонтанного параметрического рассеяния света (СПР) является основным способом получения узкополосных неклассических состояний света. Основным методом стабилизации таких устройств является контроль эффективной длины резонатора, включающий в себя управление условием фазового синхронизма нелинейной среды, в которой происходит процесс генерации СПР, или контроль положения выходного зеркала оптического резонатора.The intracavity method of generating spontaneous parametric light scattering (SPR) is the main method for obtaining narrow-band non-classical states of light. The main method of stabilizing such devices is to control the effective length of the resonator, which includes controlling the phase matching condition of the nonlinear medium in which the SPR generation process occurs, or controlling the position of the output mirror of the optical resonator.

В изобретении [RU 2708538 C1, 03.06.2019] рассматривают способ стабилизации длины однофотонных состояний, генерируемых в процессе спонтанного параметрического рассеяния света (СПР) с помощью внешнего однородного электрического поля, прикладываемого к нелинейной среде, в которой происходит генерация СПР. Указанный способ реализуется устройством, состоящим из оптически связанных и последовательно расположенных нелинейно-оптического элемента, помещенного одновременно в термостатирующее устройство и в источник внешнего электрического поля; системы отсекающих интерференционных фильтров, для отсечения излучения накачки; устройства, разделяющего поток фотонов; дисперсионного элемента; счетчика фотонов. Дисперсионный элемент или счетчик фотонов имеют возможность изменения своего положения для подстройки расположения относительно друг друга таким образом, чтобы апертура счетчика фотонов улавливала излучение от дисперсионного элемента на заданной длине волны; устройство включает также блок управления, к которому подключены термостатирующее устройство, источник внешнего электрического поля и счетчик фотонов. Данный метод не рассматривает случай внутрирезонаторной генерации параметрического рассеяния света. В случае использования внешнего однородного электрического поля с внутрирезонаторной генерацией СПР, возникает два явления: 1) изменение эффективной длины резонатора, за счет изменения показателя преломления нелинейной среды (электрооптический эффект), что позволяет управлять межмодовым расстоянием оптического резонатора и, следовательно, стабилизировать его; 2) изменение условий фазового синхронизма, что может привести к существенному сдвигу спектра СПР (при возможном использовании больших полей) и уменьшение эффективности генерации на необходимой моде резонатора.The invention [RU 2708538 C1, 03.06.2019] considers a method for stabilizing the length of single-photon states generated in the process of spontaneous parametric light scattering (SPR) using an external uniform electric field applied to a nonlinear medium in which SPR generation occurs. This method is implemented by a device consisting of an optically connected and sequentially arranged nonlinear optical element placed simultaneously in a thermostatic device and in a source of an external electric field; systems of cut-off interference filters to cut off pump radiation; a device that separates the flow of photons; dispersion element; photon counter. The dispersive element or photon counter has the ability to change its position to adjust the location relative to each other so that the photon counter aperture captures radiation from the dispersive element at a given wavelength; the device also includes a control unit to which a thermostatic device, a source of external electric field and a photon counter are connected. This method does not consider the case of intracavity generation of parametric light scattering. In the case of using an external uniform electric field with intracavity SPR generation, two phenomena arise: 1) a change in the effective length of the resonator, due to a change in the refractive index of the nonlinear medium (electro-optical effect), which makes it possible to control the intermode distance of the optical resonator and, therefore, stabilize it; 2) changing the phase matching conditions, which can lead to a significant shift in the SPR spectrum (with the possible use of large fields) and a decrease in the lasing efficiency at the required resonator mode.

В изобретении [US 2008/0063015 А1, 13.03.2008] раскрыт способ стабилизации с использованием стабилизированного одночастотного лазера и температурного контроллера нелинейного кристалла, который фактически контролирует эффективную длину оптического резонатора типа Фабри-Перо. При изменении температуры нелинейной среды происходит изменение показателя преломления и изменение эффективной длины оптического резонатора типа Фабри-Перо. Основным недостатком такого метода является большая инертность изменения, так как установление нового температурного баланса окружающей среды и нелинейного кристалла требует времени, которое может превышать 1 с и более. Кроме того, температура нелинейной среды подвержена большому влиянию окружающей среды: изменение внешних условий, возникновение локальных вихревых потоков воздуха и т.п., что приводит к флуктуации температуры и, следовательно, уширению спектральной линии, которую необходимо стабилизировать.The invention [US 2008/0063015 A1, 03/13/2008] discloses a stabilization method using a stabilized single-frequency laser and a nonlinear crystal temperature controller, which actually controls the effective length of a Fabry-Perot optical cavity. When the temperature of the nonlinear medium changes, the refractive index changes and the effective length of the Fabry-Perot optical resonator changes. The main disadvantage of this method is the large inertia of the change, since establishing a new temperature balance between the environment and the nonlinear crystal requires time that can exceed 1 s or more. In addition, the temperature of a nonlinear medium is subject to great influence from the environment: changes in external conditions, the occurrence of local vortex air flows, etc., which leads to temperature fluctuations and, consequently, a broadening of the spectral line, which must be stabilized.

В ряде работ используется именной метод PDH (Pound-Drever-Hall) [Dreyer, Hall, Kowalski, Hough, Ford, Miraley, Ward, Laser phase and frequency stabilization using an optical resonator, Appl. Phys. B: Laser Opt., 1983, Volume 31, Number 2, pp.97-105] для стабилизации эффективной длины резонатора [US 10331012 В2, 25.01.2019]. Метод основан на смешивании нескольких пучков реперного лазерного излучения: отраженного фазовомодулированного реперного лазерного от входного зеркала оптического резонатора и лазерного пучка, рассеянного через входное зеркало оптического резонатора. После смешивания этих двух лазерных пучков на фотодетекторе формируется сигнал ошибки, который зависит от отстройки частоты боковых/поднесущих частот, возникающих при фазовой модуляции исходного лазерного излучения. Измерение сигнала ошибки, формирует обратную связь с одним из зеркал оптического резонатора, которое находится на пьезо-механическом трансляторе. В результате, обратная связь позволяет активно изменять эффективную длину оптического резонатора, таким образом, чтобы при нулевой отстройке частоты лазерного излучения от моды резонатора сигнал ошибки всегда был равен 0. Основным минусом данного метода является факт, что эффективность данного метода напрямую зависит от стабилизации реперного лазерного излучения, то есть, если реперный лазер имеет длинный дрейф частоты во времени, то и стабилизируемый по частоте оптический резонатор будет обладать длинным частотным дрейфом.A number of works use the PDH (Pound-Drever-Hall) method [Dreyer, Hall, Kowalski, Hough, Ford, Miraley, Ward, Laser phase and frequency stabilization using an optical resonator, Appl. Phys. B: Laser Opt., 1983, Volume 31, Number 2, pp.97-105] to stabilize the effective length of the resonator [US 10331012 B2, 01/25/2019]. The method is based on mixing several beams of reference laser radiation: a reflected phase-modulated reference laser from the input mirror of an optical resonator and a laser beam scattered through the input mirror of an optical resonator. After mixing these two laser beams, an error signal is generated at the photodetector, which depends on the frequency detuning of the side/subcarrier frequencies resulting from the phase modulation of the original laser radiation. Measuring the error signal generates feedback from one of the optical resonator mirrors, which is located on a piezo-mechanical translator. As a result, feedback allows you to actively change the effective length of the optical resonator, so that when the frequency of laser radiation is zero detuned from the resonator mode, the error signal is always equal to 0. The main disadvantage of this method is the fact that the effectiveness of this method directly depends on the stabilization of the reference laser radiation, that is, if the reference laser has a long frequency drift in time, then the frequency-stabilized optical cavity will have a long frequency drift.

Техническая задача изобретения - разработка способа стабилизации длин волн узкополосных неклассических состояний света, получаемых на основе внутрирезонаторной генерации спонтанного параметрического рассеяния, с помощью измерителя длин волн и мощности, расширяющего арсенал средств указанного назначения, и лишенных недостатков аналогов.The technical objective of the invention is to develop a method for stabilizing the wavelengths of narrow-band non-classical states of light, obtained on the basis of intracavity generation of spontaneous parametric scattering, using a wavelength and power meter, expanding the arsenal of means for this purpose, and analogues without disadvantages.

Техническим результатом предлагаемого способа является возможность стабилизации узкополосных неклассических состояний света с точностью до суб МГц диапазона, получаемых в процессе внутрирезонаторной генерации спонтанного параметрического рассеяния света, за счет измерения эффективности пропускания реперного лазерного излучения через моду оптического резонатора источника, в котором происходит генерация неклассических состояний света.The technical result of the proposed method is the possibility of stabilizing narrow-band non-classical states of light with an accuracy of sub-MHz range, obtained in the process of intracavity generation of spontaneous parametric light scattering, by measuring the efficiency of transmission of reference laser radiation through the mode of the optical resonator of the source in which the generation of non-classical states of light occurs.

Указанная задача решается, и технический результат, обеспечиваемый изобретением, достигается предлагаемым способом стабилизации узкополосных источников неклассических состояний света, получаемых внутрирезонаторной генерацией спонтанного параметрического рассеяния света, включающимThis problem is solved, and the technical result provided by the invention is achieved by the proposed method for stabilizing narrow-band sources of non-classical states of light obtained by intracavity generation of spontaneous parametric light scattering, including

генерацию реперного излучения на целевой длине волны,generation of reference radiation at the target wavelength,

сканирование пропускания оптического резонатора источника неклассических состояний света с помощью перестраиваемого одночастотного реперного лазера и измерителя длин волн,scanning the transmission of an optical resonator of a source of non-classical states of light using a tunable single-frequency reference laser and a wavelength meter,

изменение эффективной оптической длины резонатора источника, чтобы на целевой длине волны наблюдалась максимальное пропускание,changing the effective optical length of the source cavity so that maximum transmission is observed at the target wavelength,

отстройку реперного лазерного излучения от целевой длины волны таким образом, чтобы пропускания оптического резонатора было Т = 0,75, и спектр лазера не пересекался со спектром неклассических состояний света,detuning the reference laser radiation from the target wavelength in such a way that the transmission of the optical cavity is T = 0.75, and the laser spectrum does not intersect with the spectrum of non-classical states of light,

стабилизацию перестраиваемого одночастотного реперного лазера по измерителю длин волн,stabilization of a tunable single-frequency reference laser using a wavelength meter,

стабилизацию оптического резонатора источника с помощью стабилизированного перестраиваемого реперного одночастотного лазера и измерителя длин волн,stabilization of the source optical resonator using a stabilized tunable reference single-frequency laser and a wavelength meter,

корректировку эффективной длины оптического резонатора с помощью пьезомеханического транслятора в случае изменения пропускания стабилизированного реперного одночастотного лазера через оптический резонатор источника.adjustment of the effective length of the optical resonator using a piezomechanical translator in the event of a change in the transmission of a stabilized reference single-frequency laser through the optical resonator of the source.

Указанная задача также решается, и технический результат достигается заявляемым устройством для стабилизации узкополосных источников неклассических состояний света, получаемых внутрирезонаторной генерацией спонтанного параметрического рассеяния света, включающим оптически связанные между собой и последовательно расположенные на оптической оси:This problem is also solved, and the technical result is achieved by the claimed device for stabilizing narrow-band sources of non-classical states of light obtained by intracavity generation of spontaneous parametric light scattering, including optically interconnected and sequentially located on the optical axis:

перестраиваемый одночастотный реперный лазер, подключенный к блоку управления и к измерителю длин волн, также подключенному к блоку управления,tunable single-frequency reference laser connected to the control unit and to a wavelength meter, also connected to the control unit,

светоделитель, не менее одного, оптически связанный с измерителем длин волн,beam splitter, at least one, optically connected to a wavelength meter,

оптический резонатор, представляющий собой систему входных и выходного зеркал, центры кривизны которых располагаются на одной оси с излучением одночастотного реперного лазера и внутри которой располагается нелинейно-оптический элемент, помещенный в термостатирующее устройство, при этом выходное зеркало подключено к пъезомеханическому линейному транслятору, соединенному с блоком управления,an optical resonator, which is a system of input and output mirrors, the centers of curvature of which are located on the same axis with the radiation of a single-frequency reference laser and inside which there is a nonlinear optical element placed in a thermostatic device, while the output mirror is connected to a piezomechanical linear translator connected to the unit management,

светоделитель, не менее одного, оптически связанный с оптической системой, которая, в свою очередь имеет оптическое соединение с измерителем длин волн,a beam splitter, at least one, optically connected to the optical system, which, in turn, has an optical connection to the wavelength meter,

отсекающий фильтр, не менее одного.cut-off filter, at least one.

Устройство для реализации заявляемого способа схематично представлено на фигуре 1. Предлагаемое устройство состоит из оптически связанных между собой и последовательно расположенных на оптической оси:The device for implementing the proposed method is shown schematically in Figure 1. The proposed device consists of optically interconnected and sequentially located on the optical axis:

перестраиваемого одночастотного реперного лазера 1;tunable single-frequency reference laser 1;

светоделителя 2;beam splitter 2;

входного и выходного зеркал 3 и 4, соответственно;input and output mirrors 3 and 4, respectively;

нелинейно-оптического элемента 5, который помещен в термостатирующее устройство (не пронумеровано на схеме);nonlinear optical element 5, which is placed in a thermostatic device (not numbered in the diagram);

светоделителя 6;beam splitter 6;

отсекающего фильтра 7;cut-off filter 7;

кроме того,Besides,

светоделитель 2 оптически связан с измерителем 8 длин волн, а светоделитель 6 - с оптической системой 9, которая в свою очередь тоже имеет оптическое соединение с измерителем 8 длин волн,beam splitter 2 is optically connected to wavelength meter 8, and beam splitter 6 is connected to optical system 9, which in turn also has an optical connection to wavelength meter 8,

выходное зеркало 4 подключено к пъезомеханическому линейному транслятору 10, тот, в свою очередь - к блоку управления 11, к которому подключены перестраиваемый одночастотный реперный лазер 1 и измеритель 8 длин волн, последние два также соединены между собой.the output mirror 4 is connected to a piezo-mechanical linear translator 10, which, in turn, is connected to a control unit 11, to which a tunable single-frequency reference laser 1 and a wavelength meter 8 are connected, the last two are also connected to each other.

Перестраиваемый одночастотный реперный лазер 1 расположен таким образом, чтобы его излучение и центры кривизны зеркал оптического резонатора лежали на одной оптической оси. В качестве данного источника излучения могут быть использованы диодные перестраиваемые лазеры или иные узкополосные лазерные системы. При реализации изобретения использован перестраиваемый непрерывной диодный лазер Toptica DLC DL Pro, Германия.The tunable single-frequency reference laser 1 is located in such a way that its radiation and the centers of curvature of the optical cavity mirrors lie on the same optical axis. Diode tunable lasers or other narrow-band laser systems can be used as this radiation source. When implementing the invention, a tunable continuous diode laser Toptica DLC DL Pro, Germany, was used.

Светоделитель 2 также располагается на оптической оси между перестраиваемым одночастотным реперным лазером 1 и оптическим резонатором источника, который формируется зеркалами 3 и 4. Светоделитель 2 делит излучение перестраиваемого одночастотного реперного 1 таким образом, что большая часть излучения лазера направляется в оптический резонатор источника, а меньшая часть - в измеритель 8 длин волн для определения длины волны излучения. В качестве светоделителя 2 использован светоделительный кубик 1:9 производства компании Thorlabs BS034 - 10:90 (R:T) Non-Polarizing Beamsplitter Cube. При реализации изобретения использованы светоделители 2 и 6 в единственном числе каждый.Beam splitter 2 is also located on the optical axis between the tunable single-frequency reference laser 1 and the optical resonator of the source, which is formed by mirrors 3 and 4. Beam splitter 2 divides the radiation of the tunable single-frequency reference laser 1 in such a way that most of the laser radiation is directed into the optical resonator of the source, and a smaller part - 8 wavelength meter to determine the wavelength of radiation. A 1:9 beam splitter cube manufactured by Thorlabs BS034 - 10:90 (R:T) Non-Polarizing Beamsplitter Cube was used as beam splitter 2. When implementing the invention, beam splitters 2 and 6 are used in the singular each.

С помощью измерителя 8 длин волн происходит измерение и стабилизация длин волн реперного лазера 1 и оптического резонатора. Измеритель 8 длин волн представляет устройство, которое обладает высокой разрешающей способностью (меньше 1 МГц) и способно различать близкие спектральные линии. Примером такого устройства может быть Wavemeter WS8-2.Using the wavelength meter 8, the wavelengths of the reference laser 1 and the optical resonator are measured and stabilized. The 8 wavelength meter is a device that has high resolution (less than 1 MHz) and is capable of distinguishing close spectral lines. An example of such a device would be the Wavemeter WS8-2.

Входное 3 и выходное 4 зеркала оптического резонатора должны обладать высоким коэффициентом отражения на целевой длине волны узкополосного источника неклассических состояний света. Система входных и выходных зеркал состоит из не менее одного входного и одного выходного зеркал - систему из двух зеркал, как указано на фигуре 1, где реализована система с одним входным зеркалом 3 и одним выходным зеркалом 4, можно заменить системой из большего количества входных зеркал и одного выходного зеркала, формирующих кольцевой оптической резонатор, в котором происходит генерация спонтанного параметрического рассеяния света. В качестве входного зеркала использовано плоско-сферическое зеркало с радиусом кривизны R = 0.13 м и коэффициентом отражения r = 99.9% на целевой длине волны. В качестве выходного зеркала использовано плоскосферическое зеркало с радиусом кривизны R = 0.13 м и коэффициентом отражения r = 96.5% на целевой длине волны.The input 3 and output 4 mirrors of the optical resonator must have a high reflectivity at the target wavelength of a narrow-band source of non-classical states of light. The system of input and output mirrors consists of at least one input and one output mirrors - a system of two mirrors, as indicated in Figure 1, where a system with one input mirror 3 and one output mirror 4 is implemented, can be replaced by a system of more input mirrors and one output mirror forming a ring optical resonator in which spontaneous parametric light scattering is generated. A plane-spherical mirror with a radius of curvature R = 0.13 m and a reflection coefficient r = 99.9% at the target wavelength was used as the input mirror. A flat-spherical mirror with a radius of curvature R = 0.13 m and a reflection coefficient r = 96.5% at the target wavelength was used as an output mirror.

В нелинейно-оптическом элементе 5 происходит генерация спонтанного параметрического рассеяния света для получения неклассических состояний. Кроме того, нелинейно-оптический элемент 5 помещен в термостатирующее устройство, чтобы добиться оптимальных условий генерации излучения СПР на целевой длине волны источника. Примером нелинейно оптической среды -нелинейно-оптического элемент 5 - могут быть одноосные и двуосные кристаллы, обладающие квадратичной нелинейностью, например, титанил фосфат калия KTP, ниобат лития LiNbO₃, бета-бората бария ВВО и т.п., например, LiNbO3:MgO 5% с периодом модуляции нелинейности 7.5 мкм. В качестве термостатирующего устройства может быть использован нагревательный элемент, который способен поддерживать температуру с точностью 0.01 градус Цельсия и лучше, например, печь Covesion PV20 с температурным контроллером Covesion ОС3.In the nonlinear optical element 5, spontaneous parametric light scattering is generated to obtain non-classical states. In addition, the nonlinear optical element 5 is placed in a thermostatic device in order to achieve optimal conditions for generating SPR radiation at the target wavelength of the source. An example of a nonlinear optical medium - nonlinear optical element 5 - can be uniaxial and biaxial crystals with quadratic nonlinearity, for example, potassium titanyl phosphate KTP, lithium niobate LiNbO ₃ , barium beta borate BBO, etc., for example, LiNbO3:MgO 5% with a nonlinearity modulation period of 7.5 µm. A heating element that can maintain the temperature with an accuracy of 0.01 degrees Celsius or better can be used as a thermostatic device, for example, a Covesion PV20 oven with a Covesion OS3 temperature controller.

Аналогично светоделителю 2, светоделитель 6 также служит для отделения части излучения перестраиваемого одночастотного реперного лазера 1 таким образом, что большая часть излучения лазера 1 направляется на выход из источника, а меньшая часть - в измеритель 8 длин волн через оптическую систему 9 для определения длины волны излучения. В качестве светоделителя 6 использован светоделительный кубик 1:9 производства компании Thorlabs BS034 - 10:90 (R:T) Non-Polarizing Beamsplitter Cube.Similar to the beam splitter 2, the beam splitter 6 also serves to separate part of the radiation from the tunable single-frequency reference laser 1 in such a way that most of the radiation from the laser 1 is directed to the output from the source, and a smaller part to the wavelength meter 8 through the optical system 9 to determine the wavelength of the radiation . A 1:9 beam splitter cube manufactured by Thorlabs BS034 - 10:90 (R:T) Non-Polarizing Beamsplitter Cube was used as beam splitter 6.

Отсекающий фильтр 7, который пропускает излучение на целевой длине волны узкополосного источника неклассических состояний света и отражает излучение перестраиваемого одночастотного реперного лазера 1, служит для разделения целевого излучения источника узкополосных неклассических состояний света от излучения перестраиваемого одночастотного реперного лазера, с помощью которого происходит стабилизация источника. В качестве отсекающего фильтра 7 можно использовать эталоны Фабри-Перо с шириной пропускания порядка 50 МГц. При реализации изобретения использован отсекающий фильтр 7 в единственном числе.The cut-off filter 7, which transmits radiation at the target wavelength of a narrow-band source of non-classical states of light and reflects the radiation of a tunable single-frequency reference laser 1, serves to separate the target radiation of a source of narrow-band non-classical states of light from the radiation of a tunable single-frequency reference laser, with the help of which the source is stabilized. Fabry-Perot standards with a bandwidth of about 50 MHz can be used as cut-off filter 7. When implementing the invention, a cut-off filter 7 is used in the singular.

Пьезомеханический транслятор 10, который позволяет управлять эффективной длиной резонатора, служит для корректировки эффективной длины волны оптического резонатора за счет изменения положения выходного зеркала 4 и соединен с выходным зеркалом 4. Примером такого транслятора служить KPZNF15/M -NanoFlex™ 1.5 mm Travel Stage & KPZ101 Piezo Driver.Piezomechanical translator 10, which allows you to control the effective length of the resonator, is used to adjust the effective wavelength of the optical resonator by changing the position of the output mirror 4 and is connected to the output mirror 4. An example of such a translator is KPZNF15/M -NanoFlex™ 1.5 mm Travel Stage & KPZ101 Piezo Driver.

Оптическая система 9 служит для заведения излучения перестраиваемого одночастотного реперного лазера 1 в измеритель 8 длин волн и может состоять из системы зеркал и оптических волокон, которые необходимы для указанного заведения. Примером данной системы могут служить плоские зеркала с серебряным напылением, которые отражают целевой луч в систему заведения оптического излучения в одномодовое волокно Thorlabs КТМ-110 с асферической линзой А220ТМ.The optical system 9 serves to insert the radiation of a tunable single-frequency reference laser 1 into a wavelength meter 8 and may consist of a system of mirrors and optical fibers that are necessary for the specified installation. An example of this system is flat mirrors coated with silver, which reflect the target beam into the system for introducing optical radiation into a Thorlabs KTM-110 single-mode fiber with an A220TM aspherical lens.

Блок управления 11 представляет собой программируемый процессор или ЭВМ, в котором установлена плата управления с соответствующим программным обеспечением. В качестве блока управления использован персональный компьютер (ноутбук Lenovo S340), с предустановленным программным обеспечением от всех электронных компонентов, использованных в реализации устройства по стабилизации.The control unit 11 is a programmable processor or computer in which a control board with appropriate software is installed. A personal computer (Lenovo S340 laptop) with preinstalled software from all electronic components used in the implementation of the stabilization device was used as a control unit.

Стоит отметить, что в заявляемом устройстве мы не рассматриваем генерацию и управление спектром спонтанного параметрического рассеяния света. Поэтому нелинейно-оптический элемент 5 и термостатирующее устройство, в которое он помещен, должны управляться другим устройством. Заявляемое устройство работает следующим образом. В начале работы пользователь в блоке управления И устанавливает необходимую целевую длину волны (излучение на которой необходимо потребителю и будет реализовано на выходе заявляемого устройства). После этого блок управления 11 подает перестраиваемому одночастотному лазеру 1 команду на сканирование спектрального диапазона в центре которого находится целевая длина волны It is worth noting that in the claimed device we do not consider the generation and control of the spectrum of spontaneous parametric light scattering. Therefore, the nonlinear optical element 5 and the temperature control device in which it is placed must be controlled by another device. The inventive device operates as follows. At the beginning of work, the user sets the required target wavelength in the control unit AND (the radiation on which is necessary for the consumer and will be realized at the output of the proposed device). After this, the control unit 11 sends a command to the tunable single-frequency laser 1 to scan the spectral range in the center of which is the target wavelength

Сканирование происходит следующим образом. Блок управления 11 выбирает, с каким шагом производить сканирование спектрального диапазона, в частотном диапазоне этот шаг не должен превышать 1 МГц. Далее блок управления 11 дает команду перестраиваемому одночастотному реперному лазеру 1 на изменение своей длины волны После установления необходимой длины волны блок управления 11 дает команду измерителю 8 длин волн на измерение сигнала, прошедшего через сформированный входным зеркалом 3 и выходным зеркалом 4 оптический резонатор, светоделитель 6 и оптическую систему 9. Результатом работы измерителя 8 длин волн является интенсивность и длина волны (частоты) пришедшего сигнала. Далее процедура повторяется снова. Сканирование происходит до тех пор, пока не будет полностью измерен спектральный интервал с шагом На основе этих данных блок управления 11 составляет зависимость пропускания оптического резонатора источника от длины волны (частоты) перестраиваемого одночастотного реперного лазера 1. Пример такой зависимости представлен на фигуре 2.Scanning occurs as follows. Control unit 11 selects with what step scan the spectral range; in the frequency range, this step should not exceed 1 MHz. Next, the control unit 11 commands the tunable single-frequency reference laser 1 to change its wavelength After establishing the required wavelength, the control unit 11 commands the wavelength meter 8 to measure the signal passed through the optical resonator formed by the input mirror 3 and the output mirror 4, the beam splitter 6 and the optical system 9. The result of the operation of the wavelength meter 8 is the intensity and wavelength ( frequency) of the incoming signal. Then the procedure is repeated again. Scanning continues until the spectral interval is completely measured in steps Based on these data, the control unit 11 makes a dependence of the transmittance of the source optical resonator on the wavelength (frequency) of the tunable single-frequency reference laser 1. An example of such a dependence is presented in Figure 2.

Если после этапа сканирования и составления зависимости пропускания оптического резонатора источника от длины волны перестраиваемого одночастотного реперного лазера 1, на целевой длине волны (целевая частота с - скорость света в вакууме) будет наблюдаться низкое пропускание, то блок управления 11 должен совершить процедуру коррекции эффективной длины оптического резонатора источника. Для этого блок управления 11 подает сигнал на перестраиваемый одночастотный реперный лазер 1, чтобы выставить целевую длину волны. После этого блок управления 11 подает команду на пьезомеханический транслятор 10 о необходимости сдвинуть положение выходного зеркала 4 на минимальное расстояние где - частота, на которую необходимо сдвинуть спектр пропускания однофотонного источника, L - длина оптического резонатора, которая заложена в блок управления 11. После этого блок управления 11, с помощью измерителя 8 длин волн, проверяет эффективность пропускания оптического резонатора источника. Если пропускания оптического резонатора на целевой длине волны является максимальным, то процедура считается завершенной. В противном случае, процедура настройки повторяется до тех пор, пока пропускание резонатора источника не будет максимальным на целевой длине волны If, after the scanning stage and compiling the dependence of the transmission of the source optical resonator on the wavelength of the tunable single-frequency reference laser 1, at the target wavelength (target frequency c is the speed of light in vacuum) low transmission will be observed, then the control unit 11 must perform a procedure for correcting the effective length of the source optical resonator. To do this, the control unit 11 supplies a signal to a tunable single-frequency reference laser 1 to set the target wavelength. After this, the control unit 11 sends a command to the piezomechanical translator 10 about the need to shift the position of the output mirror 4 to the minimum distance Where is the frequency to which it is necessary to shift the transmission spectrum of a single-photon source, L is the length of the optical resonator, which is included in the control unit 11. After this, the control unit 11, using a wavelength meter 8, checks the transmission efficiency of the optical resonator of the source. If the transmission of the optical cavity at the target wavelength is the maximum, then the procedure is considered completed. Otherwise, the tuning procedure is repeated until the transmittance of the source cavity is maximum at the target wavelength

После оптимизации пропускания источника на целевой длине волны блок управления 11 подает сигнал на перестраиваемый одночастотный реперный лазер 1 сигнал о перестроении его длины волны на соседнюю моду оптического резонатора источника Причем длина волны перестраиваемого лазера 1 не должна пересекаться со спектром спонтанного параметрического рассеяния, с помощью которого генерируют неклассические состояния света на целевой длине волны чтобы не создавать дополнительных спектральных шумов на целевой длине волны. Пример данной конфигурации представлен на фигуре 3: перестраиваемый одночастотный реперный лазер 1 - пунктирная линия, огибающая линии - спектр спонтанного параметрического рассеяния света, без учета резонатора, узкие линии - спектр спонтанного параметрического рассеяния света в режиме внутрирезонаторной генерации. Кроме того, контроль эффективной оптической длины резонатора происходит при пропускании реперного лазера Т = 0.75, на котором наблюдается максимальная чувствительность пропускания относительно изменений эффективной длины резонатора. На данном коэффициенте пропускания Т наблюдается самый высокий градиент коэффициента пропускания относительно отстройки от центральной длины волны моды оптического резонатора (фигура 4), которая может возникать вследствие изменения эффективной длины резонатора. Значение интенсивности записывается в блок управления 11, для дальнейшего использования в процедуре стабилизации оптического резонатора источника. На фигуре 4: левый график: сплошная линия - пропускание моды оптического резонатора, пунктирная линия - градиент пропускания моды оптического резонатора. Правый график: сплошная линия - пропускание моды оптического резонатора, пунктирная линия - линия перестраиваемого одночастотного реперного лазера 1.After optimizing the source transmittance at the target wavelength The control unit 11 sends a signal to the tunable single-frequency reference laser 1 to change its wavelength to the adjacent mode of the source optical resonator Moreover, the wavelength of the tunable laser 1 should not intersect with the spectrum of spontaneous parametric scattering, with the help of which non-classical states of light are generated at the target wavelength so as not to create additional spectral noise at the target wavelength. An example of this configuration is presented in Figure 3: tunable single-frequency reference laser 1 - dotted line, envelope line - spectrum of spontaneous parametric light scattering, excluding the resonator, narrow lines - spectrum of spontaneous parametric light scattering in the intracavity lasing mode. In addition, control of the effective optical length of the resonator occurs with transmission of the reference laser T = 0.75, at which the maximum transmission sensitivity is observed relative to changes in the effective length of the resonator. At this transmittance T, the highest transmittance gradient is observed relative to the detuning from the central wavelength of the optical resonator mode (Figure 4), which can arise due to a change in the effective length of the resonator. Intensity value is recorded in control unit 11 for further use in the procedure for stabilizing the source optical resonator. In figure 4: left graph: solid line - optical resonator mode transmission, dotted line - optical resonator mode transmission gradient. Right graph: solid line - optical cavity mode transmission, dotted line - line of tunable single-frequency reference laser 1.

После выставления на перестраиваемом одночастотном реперном лазере 1 длины волны блок управления 11 запускает процедуру стабилизации перестраиваемого одночастотного реперного лазера 1 и оптического резонатора источника, сформированного входным 3 и выходным 4 зеркалами.After setting 1 wavelength on a tunable single-frequency reference laser The control unit 11 starts the procedure for stabilizing the tunable single-frequency reference laser 1 and the optical resonator of the source, formed by the input 3 and output 4 mirrors.

Процедура стабилизации пристраиваемого одночастотного реперного лазера 1 заключается в постоянном измерении длины волны и интенсивности с помощью измерителя 8 длин волн. Для этого измеритель длин волн 8 постоянно считывает интенсивность и длину волны излучения перестраиваемого одночастотного реперного лазера после светоделителя 2. При отклонении длины волны реперного лазера 1 от целевой, блок управления 11 подает команду реперному лазеру 1 на изменение длины волны Измеренная интенсивность I₀ записывается в блок управления 11 для последующего использования в процедуре стабилизации оптического резонатора источника. Процедура стабилизации перестраиваемого одночастотного реперного лазера 1 происходит до отмены данной команды пользователем в блоке управления 11.The procedure for stabilizing the attached single-frequency reference laser 1 consists of continuously measuring the wavelength and intensity using a wavelength meter 8. To do this, the wavelength meter 8 constantly reads the intensity and the wavelength of radiation from a tunable single-frequency reference laser after beam splitter 2. When the wavelength of reference laser 1 deviates from target, control unit 11 commands reference laser 1 to change the wavelength The measured intensity I ₀ is recorded in the control unit 11 for subsequent use in the procedure for stabilizing the source optical resonator. The stabilization procedure of the tunable single-frequency reference laser 1 occurs until this command is canceled by the user in the control unit 11.

Процедура стабилизации оптического резонатора источника заключается в наблюдении за параметром - интенсивность, прошедшая через оптический резонатор источника и измеренная с помощью измерителя 8 длин волн. При отклонении параметра от 0 блок управления 11 подает команду пьезомеханическому транслятору 10 на сдвиг выходного зеркала 4, чтобы изменить эффективную длину резонатора и тем самым сдвинуть центральную длину волны моды оптического резонатора источника к изначальной. - заранее рассчитанная блоком управления 11 производная из данных пропускания оптического резонатора источника, L - длина оптического резонатора, которая заложена в блок управления 11. Процедура проводится до тех пор, пока не станет 0.The procedure for stabilizing the source optical resonator consists of monitoring the parameter - intensity passed through the optical resonator of the source and measured using an 8-wavelength meter. When the parameter is rejected from 0, the control unit 11 sends a command to the piezomechanical translator 10 to shift output mirror 4 to change the effective length of the resonator and thereby shift the central wavelength of the mode of the optical resonator of the source to the original one. - derivative calculated in advance by the control unit 11 from the transmission data of the optical resonator of the source, L is the length of the optical resonator, which is included in the control unit 11. The procedure is carried out until will not become 0.

Таким образом происходит одновременный контроль стабильности реперного лазерного излучения и эффективной оптической длины резонатора источника неклассических состояний света с помощью измерителя длин волн.In this way, the stability of the reference laser radiation and the effective optical length of the resonator of the source of non-classical states of light are simultaneously monitored using a wavelength meter.

Таким образом, заявлена группа изобретений - способ стабилизации узкополосных источников неклассических состояний света, получаемых внутрирезонаторной генерацией спонтанного параметрического рассеяния света, и устройство для его осуществления, расширяющие арсенал средств указанного назначения. Эффективность заявляемого способа заключается в возможности производить высокоточную стабилизацию длины волны узкополосного источника неклассических состояний света с помощью измерителя длин волн, который, кроме того, позволяет напрямую контролировать длину волны генерируемых неклассических состояний света. Реализация заявляемого способа продемонстрирована на лабораторном макете заявляемого устройства.Thus, a group of inventions has been declared - a method for stabilizing narrow-band sources of non-classical states of light obtained by intracavity generation of spontaneous parametric light scattering, and a device for its implementation, expanding the arsenal of means for this purpose. The effectiveness of the proposed method lies in the ability to perform high-precision stabilization of the wavelength of a narrow-band source of non-classical states of light using a wavelength meter, which, in addition, allows you to directly control the wavelength of the generated non-classical states of light. The implementation of the proposed method is demonstrated on a laboratory prototype of the proposed device.

Заявляемые способ и устройство позволяют производить стабилизацию длины волны источника неклассических состояний света с точностью менее 1 МГц за счет измерителя длин волн и контроля эффективной длины оптического резонатора источника по изменению относительного пропускания реперного лазерного источника через моду оптического резонатора. Данная методика позволяет одновременно проводить стабилизацию реперного перестраиваемого лазерного источника и источника узкополосных неклассических состояний света за счет непосредственного измерения длины волны перестраиваемого одночастотного лазера.The inventive method and device make it possible to stabilize the wavelength of a source of non-classical states of light with an accuracy of less than 1 MHz due to a wavelength meter and control of the effective length of the optical resonator of the source by changing the relative transmission of the reference laser source through the mode of the optical resonator. This technique allows simultaneous stabilization of a reference tunable laser source and a source of narrow-band non-classical states of light by directly measuring the wavelength of a tunable single-frequency laser.

Claims

1. A method for stabilizing narrow-band sources of non-classical states of light obtained by intracavity generation of spontaneous parametric light scattering, including generation of reference radiation at a target wavelength, scanning the transmission of the optical cavity of the source of non-classical states of light using a tunable single-frequency reference laser and a wavelength meter, changing the effective optical length source resonator so that maximum transmission is observed at the target wavelength, detuning the reference laser radiation from the target wavelength so that the transmission of the optical resonator is T = 0.75, and the laser spectrum does not intersect with the spectrum of non-classical states of light, stabilization of the tunable single-frequency reference laser according to the meter wavelengths, stabilization of the optical resonator of the source using a stabilized tunable reference single-frequency laser and a wavelength meter, adjustment of the effective length of the optical resonator using a piezomechanical translator in the event of a change in the transmission of the stabilized reference single-frequency laser through the optical resonator of the source.

2. A device for stabilizing narrow-band sources of non-classical states of light obtained by intracavity generation of spontaneous parametric light scattering, including optically interconnected and sequentially located on the optical axis: a tunable single-frequency reference laser connected to a control unit and to a wavelength meter, also connected to the unit controls, a beam splitter, at least one, optically connected to a wavelength meter, an optical resonator, which is a system of input and output mirrors, the centers of curvature of which are located on the same axis with the radiation of a single-frequency reference laser and inside which there is a nonlinear optical element placed in a thermostat device, wherein the output mirror is connected to a piezo-mechanical linear translator connected to the control unit, a beam splitter, at least one, optically connected to the optical system, which, in turn, has an optical connection to a wavelength meter, a cut-off filter, at least one.

3. The device according to claim 2, characterized in that the system of input and output mirrors consists of at least one input and one output mirror.