CN118502176B - 一种产生三模压缩光场的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种产生三模压缩光场的装置及方法，涉及量子精密测量技术领域，包括：激光源，用于提供激光，从激光中分离出第一激光、第二激光和第三激光；第一调谐组件，得到调谐后的第二激光；第二调谐组件，得到调谐后的第三激光；第一激光以水平方向进入铷原子池，调谐后的第二激光在第一激光水平方向左侧以4°的夹角射入铷原子池，调谐后的第三激光在第一激光垂直方向下侧5°的夹角进入铷原子池；第一激光耦合两次能级得到第一束光和第二束光；调谐后的第三激光耦合能级得到第三束光。本发明可一步产生三模压缩光场，效率高、纠缠度高、系统稳定性高且成本低。
Description
技术领域
本发明涉及量子精密测量技术领域，特别是涉及一种产生三模压缩光场的装置及方法。
背景技术
光的非经典态，特别是纠缠和压缩的多组分或多模态，已被广泛应用于主导各种量子应用任务。产生压缩光的最成熟方法是通过非线性晶体中的自发参量下转换(SPDC)和光学谐振腔组成的光学参量振荡器(OPO)。SPDC过程需要OPO以增强非线性过程的转换效率，但光学谐振腔的锁定系统对外界的干扰很敏感，并且产生的压缩态一般只有单一模式。因此在产生多模态的光束时需要多次重复光学参量振荡器，使得产生多模压缩光场的步骤繁琐。
发明内容
本发明提供了一种产生三模压缩光场的装置及方法，解决了现有方法存在的问题。
本发明提供一种产生三模压缩光场的装置，包括：
激光源，用于提供激光；
分束组件，设置在所述激光源出口，用于从激光中分离出不同功率的第一激光、第二激光和第三激光；
第一调谐组件，包括半波片、偏振分光棱镜、第一声光调制器、1/4波片和反射镜；第二激光依次穿过半波片和偏振分光棱镜后从一侧进入第一声光调制器，第一声光调制器对第二激光进行第一次移频；第一次移频后的第二激光穿过1/4波片至反射镜，反射镜将第二激光反射再次穿过1/4波片后从另一侧进入第一声光调制器，两次穿过1/4波片的第二激光变为垂直偏振，第一声光调制器对第二激光进行第二次移频，得到蓝失谐为3.04GHz的第二激光，第二次移频后的第二激光从偏振分光棱镜的反射面输出；
第二调谐组件，包括第二声光调制器，所述第二声光调制器对第三激光进行移频，得到红失谐0.8GHz的第三激光；
三组角度调节组件，分别用于对第一激光、调谐后的第二激光以及第三激光的角度进行调节；
铷原子池，用于接收调节后的第一激光、第二激光以及第三激光；其中调节后的第一激光以水平方向进入铷原子池，调节后的第二激光在调节后的第一激光水平方向左侧以4°的夹角射入铷原子池，调节后的第三激光在调节后的第一激光垂直方向下侧5°的夹角进入铷原子池；
调节后的第一激光首先耦合能级|1>(5S 1/2F=2)与能级|3>(5P1/2)以失谐Δ1，得到第一束光E S1；其次耦合能级|2>(5S 1/2F=2)与能级|3>(5P1/2)以失谐Δ'1，得到第二束光E S2；调节后的第三激光耦合能级|1>(5S 1/2F=2)与能级|3>(5P1/2)以失谐Δ3，得到第三束光E S3；调节后的第二激光注入到E S2的产生通道中，对E S1和E S3光信号进行放大。
优选的，所述激光源为一台由波长为532nm泵浦源泵浦的钛宝石激光器，输出波长为795nm。
优选的，所述分束组件包括两组半波片和偏振分光棱镜；
激光光源穿过第一组半波片和偏振分光棱镜，从偏振分光棱镜的反射面射出得到第一激光，从透射面射出的激光穿过第二组半波片和偏振分光棱镜，从偏振分光棱镜的透射面得到第二激光，从反射面得到第三激光。
优选的，每组所述角度调节组件均包括反射镜、半波片和偏振分光棱镜，反射镜用于调节第一激光、调谐后的第二激光以及第三激光进入铷原子池的角度；
其中所述第一激光和第二激光的角度调节组件共用一个偏振分光棱镜。
优选的，还包括：
格兰-汤普逊棱镜，设置在所述铷原子池另一侧，用于透过E S1、E S2和E S3，反射调节后的第一激光和第三激光的光信号；
平衡零拍探测器，用于接收反射后的E S1、E S2和E S3，并进行光电转换，得到不同的直流电信号；
减法器，其输入端与平衡零拍探测器电连接，用于对不同的直流电信号进行处理，得到不同的交流电信号；
频谱仪，与减法器输出端电连接，用于输出E S1、E S2和E S3的噪声功率谱。
一种产生三模压缩光场的方法，包括以下步骤：
获取不同频率的第一激光、第二激光和第三激光；
对第二激光进行第一次移频，对第一次移频后的第二激光的偏振性进行调节，对偏振性调节后的第二激光进行第二次移频，得到蓝失谐3.04GHz的第二激光；
对第三激光进行移频，得到红失谐0.8GHz的第三激光；
对第一激光、调谐后的第二激光以及第三激光的角度进行调节，并从一侧进入铷原子池；其中调节后的第一激光以水平方向进入铷原子池，调节后的第二激光在调节后的第一激光水平方向左侧以4°的夹角射入铷原子池，调节后的第三激光在调节后的第一激光垂直方向下侧5°的夹角进入铷原子池；
调节后的第一激光首先耦合能级|1>(5S 1/2F=2)与能级|3>(5P1/2)以失谐Δ1，得到第一束光E S1；其次耦合能级|2>(5S 1/2F=2)与能级|3>(5P1/2)以失谐Δ'1，得到第二束光E S2；调节后的第三激光耦合能级|1>(5S 1/2F=2)与能级|3>(5P1/2)以失谐Δ3，得到第三束光E S3；调节后的第二激光注入到E S2的产生通道中，对E S1和E S3光信号进行放大。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明首先从激光源中分离出第一激光、第二激光和第三激光，对第二激光和第三激光进行调谐，然后将第一激光以水平方向进入铷原子池，第二激光在第一激光水平方向左侧以4°的夹角射入铷原子池，第三激光在第一激光垂直方向下侧5°的夹角进入铷原子池，保持六波混频最佳的相位匹配角。第一激光首先耦合能级|1>(5S 1/2F=2)与能级|3>(5P1/2)以失谐Δ1，得到E S1，其次耦合能级|2>(5S 1/2F=2)与能级|3>(5P1/2)以失谐Δ'1，得到E S2，第三激光耦合能级|1>(5S 1/2F=2)与能级|3>(5P1/2)以失谐Δ3，得到E S3，三束光场E S1、E S2、和E S3在E 2的注入下，实现了空间分离的明亮的三色关联光束。本发明可一步产生三模压缩光场，效率高、纠缠度高、系统稳定性高且成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种产生三模压缩光场的装置的结构图；
图2为本发明的六波混频过程参量放大能级图；
图3为本发明的强度差压缩测量模式示意图；
图4为本发明的三模强度差压缩测量结果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，本发明提供一种产生三模压缩光场的装置，包括激光源、分束组件、第一调谐组件、第二调谐组件和铷原子池。
激光源为一台由波长为532nm的泵浦源泵浦的钛宝石激光器，激光源LaserSource(E)的输出波长为795nm，输出功率为1.2W。
分束组件设置在激光源出口，用于从激光中分离出不同功率的第一激光、第二激光和第三激光。分束组件包括两组半波片(λ/2)和偏振分光棱镜(PBS)。通过第一组半波片和偏振分光棱镜从激光源E中分离出功率为160mW的第一激光E 1。在本实施例中，从偏振分光棱镜的反射面射出得到第一激光。
垂直偏振的E 1经过调节组件对其角度进行调节，具体的，通过反射镜对其角度调节，使其水平进入铷原子池。反射镜后面的半波片与PBS组成的调节组件保证进入铷泡（铷原子池）的激光为垂直偏振，并且功率连续可调。
同样地，从第一组偏振分光棱镜透射面射出的激光穿过第二组半波片和偏振分光棱镜，从偏振分光棱镜的透射面得到第二激光E 2，然后反射镜用以调整E 2的方向，使其进入第一调谐组件。在本实施例中，第一调谐组件包括半波片、偏振分光棱镜、第一声光调制器（AOM）、1/4波片和反射镜。半波片和PBS用确保单一的偏振模式，并调节进入第一声光调制器的功率。E 2透过PBS后为水平偏振，之后进入第一声光调制器，E 2经过第一声光调制器第一次移频后穿过1/4波片到达反射镜，反射镜将其原路返回并再次穿过1/4波片(两次穿过1/4波片相当于穿过1/2波片，旋转1/4波片可调节偏振性)，E 2从第一声光调制器另一侧进入，通过第一光调制器对其进行第二次移频，通过旋转1/4波片的角度使两次移频后的垂直偏振光从PBS侧面输出。E 2移频为蓝失谐3.04GHz。调谐后的E 2经过调节组件对其角度进行调节，具体的，通过反射镜对其角度调节，使E 2在E 1水平方向左侧以4°的夹角射入铷原子池，反射镜调节其角度后经过半波片和PBS，使E 2进入铷泡的功率可调，并且调节为水平偏振。
从第二组偏振分光棱镜的反射面得到第三激光E 3，垂直偏振的E 3经过具有固定频移的第二声光调制器，移频红失谐0.8GHz。调谐后的E 3经过调节组件对其角度进行调节，具体的，通过反射镜对其角度调节，使E 3在E 1垂直方向下侧5°的夹角进入铷原子池，反射镜后面的偏振分光棱镜与PBS组成的调节组件保证进入铷泡的激光为垂直偏振，并且功率连续可调。
E 1，E 2和E 3从铷原子池一侧进入，E 1以水平方向进入铷原子池，功率为160mW。E 2在E 1水平方向左侧以4°的夹角射入铷原子池，以保证E 2完美地注入到E S2通道。E 2功率为20μW，此时E S1和E S3被无损放大。E 3在E 1垂直方向下侧5°的夹角进入铷原子池，以保持六波混频最佳的相位匹配角，功率为60mW。
如图2所示为六波混频过程参量放大能级图。光与铷原子相互作用时，第一激光E 1先后两次耦合两次不同的能级，首先耦合能级|1>(5S 1/2 F=2)与能级|3>(5P1/2)以失谐Δ1(Δ是激光频率与能级固有频率之间的差值。即Δ1=ω1-ω31，ω1为第一激光E 1的频率，ω31为能级|1>与能级|3>之间的固有频率)，得到第一束光E S1。其次耦合能级|2>(5S 1/2 F=2)与能级|3>(5P1/2)以失谐Δ'1（Δ'1=ω1-ω23，ω1为第一激光E 1的频率，ω23为能级|2>与能级|3>之间的固有频率），得到第二束光E S2。E 3耦合能级|1>(5S 1/2F=2)与能级|3>(5P1/2)以失谐Δ3（Δ3=ω3-ω31，ω3为第三激光E 3的频率，ω31为能级|1>与能级|3>之间的固有频率），得到第三束光E S3。E 2注入到E S2的产生通道中，对产生的E S1和E S3光信号放大。在85Rb原子能级中利用六波混频过程中的五阶非线性效应，三束光场E S1、E S2、和E S3在E 2的注入下，实现了空间分离的明亮的三色关联光束。
基于同一个构思，本发明还提供一种产生三模压缩光场的方法，包括以下步骤：
获取不同频率的第一激光、第二激光和第三激光。
对第二激光进行第一次移频，对第一次移频后的第二激光的偏振性进行调节，对偏振性调节后的第二激光进行第二次移频，得到蓝失谐3.04GHz的第二激光。
对第三激光进行移频，得到红失谐0.8GHz的第三激光。
对第一激光、调谐后的第二激光以及第三激光的角度进行调节，并从一侧进入铷原子池；其中调节后的第一激光以水平方向进入铷原子池，调节后的第二激光在调节后的第一激光水平方向左侧以4°的夹角射入铷原子池，调节后的第三激光在调节后的第一激光垂直方向下侧5°的夹角进入铷原子池。
调节后的第一激光首先耦合能级|1>(5S 1/2F=2)与能级|3>(5P1/2)以失谐Δ1，得到第一束光E S1；其次耦合能级|2>(5S 1/2F=2)与能级|3>(5P1/2)以失谐Δ'1，得到第二束光E S2；调节后的第三激光耦合能级|1>(5S 1/2F=2)与能级|3>(5P1/2)以失谐Δ3，得到第三束光E S3；调节后的第二激光注入到E S2的产生通道中，对E S1和E S3光信号进行放大。
产生的具有纠缠特性的三束光(E S1，E S2和E S3)从铷原子池另一侧输出，经过格兰-汤普逊棱镜将E 1和E 3残余的光信号滤除。经过滤除光信号的E S1，E S2和E S3通过反射镜组进入三路具有相同增益和带宽的平衡零拍探测器(BHD)和减法器，得到直流电信号和交流电信号。其中直流电信号可以用于观测经典的信号强度，交流电信号可以用于测量三模光束噪声功率。
将交流电信号送至频谱仪观测其频域信号的噪声功率，频谱仪的分辨率带宽为30KHz，显示带宽为300Hz。
压缩度的评价首先要得到系统的散粒噪声极限SNL。散粒噪声极限的获取方式是使用50/50的光分束器将一束激光分成两束功率相同的相干光，这两束相干光进入一个平衡零拍探测器，通过频谱仪采集得到的交流信号即为散粒噪声信号极限。将散粒噪声信号极限与频谱仪得到的频域信号比较得到三模压缩光场的压缩度。
如图3所示为强度差压缩测量模式。产生的三模光束(I 1，I 2和I 3)分别由平衡零拍探测器探测，得到的直流电信号可以用于观测经典的信号强度。因此，可以得到三模关联光束的强度i 1 ，i 2 和i 3 ，并且可以用减法器(图1中IDS)测量三模关联光束的强度差i 2 –i 1、i 2 –i 3 、i 1–i 3、i 2 –i 1 –i 3 的噪声功率谱。这里，光电流可以表示为：
式中：为第i束光的光电流，为第i束光产生光子的产生算符，为第i束光产生光子的湮灭算符，为第i束光的光子数平均数，为第i束光的光子数波动值，i为1、2或3。因此可以获得i i 和i j 间的强度差：
式中，为第j束光的光电流，为第j束光的光子数平均数，为第j束光的光子数波动值，j为1、2或3，式中最后两项表示i i 和i j 间强度差的交流电信号信息。利用得到的交流电信号信息计算方差，通过具有快速傅里叶变换功能的数字示波器可以分析噪声功率谱：
式中，为强度差的噪声功率谱，为第i束光的信号强度，为第j束光的信号强度，为第i束光的光子数波动强度，为第j束光的光子数波动强度，式中最后一项即表示两模光束的非经典信息。相似地，同样可以得到三模光束的噪声功率：
式中，为第1束光的信号强度，为第2束光的信号强度，为第3束光的信号强度，为第1束光的光子数平均数，为第2束光的光子数平均数，为第3束光的光子数平均数，为第1束光的光子数，为第2束光的光子数，为第3束光的光子数，式中最后三项表示三模态的非经典噪声。在这种情况下，低于相应散粒噪声极限的噪声功率值表示两个或三个模式之间的量子相关性。与对应的散粒噪声极限相比后，三模光束的强度差压缩I 1–I 2–I 3可以计算为：
式中，Sq为三模光束的强度差压缩度。
如图4所示为三模强度差压缩测量结果，三模光束的强度差压缩结果为I 2–I 1–I 3，I 2–I 1、I 2–I 3和I 1–I 3为三模光束中两束光之间的强度差压缩，图4中曲线A为I 2–I 1，曲线B为I 2–I 3，曲线C为I 1–I 3，曲线D为I 2–I 1–I 3，曲线E为SNL。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。
Claims (6)
1.一种产生三模压缩光场的装置，其特征在于，包括：
激光源，用于提供激光；
分束组件，设置在所述激光源出口，用于从激光中分离出不同功率的第一激光、第二激光和第三激光；
第一调谐组件，包括半波片、偏振分光棱镜、第一声光调制器、1/4波片和反射镜；第二激光依次穿过半波片和偏振分光棱镜后从一侧进入第一声光调制器，第一声光调制器对第二激光进行第一次移频；第一次移频后的第二激光穿过1/4波片至反射镜，反射镜将第二激光反射再次穿过1/4波片后从另一侧进入第一声光调制器，两次穿过1/4波片的第二激光变为垂直偏振，第一声光调制器对第二激光进行第二次移频，得到蓝失谐为3.04GHz的第二激光，第二次移频后的第二激光从偏振分光棱镜的反射面输出；
第二调谐组件，包括第二声光调制器，所述第二声光调制器对第三激光进行移频，得到红失谐0.8GHz的第三激光；
三组角度调节组件，分别用于对第一激光、调谐后的第二激光以及第三激光的角度进行调节；
铷原子池，用于接收调节后的第一激光、第二激光以及第三激光；其中调节后的第一激光以水平方向进入铷原子池，调节后的第二激光在调节后的第一激光水平方向左侧以4°的夹角射入铷原子池，调节后的第三激光在调节后的第一激光垂直方向下侧5°的夹角进入铷原子池；
调节后的第一激光首先耦合能级|1>(5S1/2F＝2)与能级|3>(5P1/2)以失谐Δ1，得到第一束光ES1；其次耦合能级|2>(5S1/2F＝2)与能级|3>(5P1/2)以失谐Δ'1，得到第二束光ES2；调节后的第三激光耦合能级|1>(5S1/2F＝2)与能级|3>(5P1/2)以失谐Δ3，得到第三束光ES3；调节后的第二激光注入到ES2的产生通道中，对ES1和ES3光信号进行放大；其中，Δ是激光频率与能级固有频率之间的差值，Δ1＝ω1-ω31ω1，为第一激光的频率，ω31为能级|1>与能级|3>之间的固有频率；Δ'1＝ω1-ω23，ω23为能级|2>与能级|3>之间的固有频率；Δ3＝ω3-ω31，ω3为第三激光的频率。
2.如权利要求1所述的一种产生三模压缩光场的装置，其特征在于，所述激光源为一台由波长为532nm泵浦源泵浦的钛宝石激光器，输出波长为795nm。
3.如权利要求1所述的一种产生三模压缩光场的装置，其特征在于，所述分束组件包括两组半波片和偏振分光棱镜；
激光光源穿过第一组半波片和偏振分光棱镜，从偏振分光棱镜的反射面射出得到第一激光，从透射面射出的激光穿过第二组半波片和偏振分光棱镜，从偏振分光棱镜的透射面得到第二激光，从反射面得到第三激光。
4.如权利要求1所述的一种产生三模压缩光场的装置，其特征在于，每组所述角度调节组件均包括反射镜、半波片和偏振分光棱镜，反射镜用于调节第一激光、调谐后的第二激光以及第三激光进入铷原子池的角度；
其中所述第一激光和第二激光的角度调节组件共用一个偏振分光棱镜。
5.如权利要求1所述的一种产生三模压缩光场的装置，其特征在于，还包括：
格兰-汤普逊棱镜，设置在所述铷原子池另一侧，用于透过ES1、ES2和ES3，反射调节后的第一激光和第三激光的光信号；
平衡零拍探测器，用于接收反射后的ES1、ES2和ES3，并进行光电转换，得到不同的直流电信号；
减法器，其输入端与平衡零拍探测器电连接，用于对不同的直流电信号进行处理，得到不同的交流电信号；
频谱仪，与减法器输出端电连接，用于输出ES1、ES2和ES3的噪声功率谱。
6.一种产生三模压缩光场的方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取不同频率的第一激光、第二激光和第三激光；
对第二激光进行第一次移频，对第一次移频后的第二激光的偏振性进行调节，对偏振性调节后的第二激光进行第二次移频，得到蓝失谐3.04GHz的第二激光；
对第三激光进行移频，得到红失谐0.8GHz的第三激光；
对第一激光、调谐后的第二激光以及第三激光的角度进行调节，并从一侧进入铷原子池；其中调节后的第一激光以水平方向进入铷原子池，调节后的第二激光在调节后的第一激光水平方向左侧以4°的夹角射入铷原子池，调节后的第三激光在调节后的第一激光垂直方向下侧5°的夹角进入铷原子池；
调节后的第一激光首先耦合能级|1>(5S1/2F＝2)与能级|3>(5P1/2)以失谐Δ1，得到第一束光ES1；其次耦合能级|2>(5S1/2F＝2)与能级|3>(5P1/2)以失谐Δ'1，得到第二束光ES2；调节后的第三激光耦合能级|1>(5S1/2F＝2)与能级|3>(5P1/2)以失谐Δ3，得到第三束光ES3；调节后的第二激光注入到ES2的产生通道中，对ES1和ES3光信号进行放大；其中，Δ是激光频率与能级固有频率之间的差值，Δ1＝ω1-ω31ω1，为第一激光的频率，ω31为能级|1>与能级|3>之间的固有频率；Δ'1＝ω1-ω23，ω23为能级|2>与能级|3>之间的固有频率；Δ3＝ω3-ω31，ω3为第三激光的频率。
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