一种连续变量光学参量腔真空锁定装置及方法

技术领域

本发明属于量子光学技术领域，具体涉及一种连续变量光学参量腔真空锁定装置及方法。

背景技术

在量子光学领域，连续变量量子压缩态光场是非常重要的非经典光场，在量子通信，量子计量学，精密测量以及量子计算等方面有着重要的应用前景。非经典光场的制备以及其特性优劣直接影响着量子系统的性能。目前，利用非线性晶体的二阶非线性效应，通过光学参量过程制备压缩态光场，已被多次证实是最高效的方式之一。在此方法中需要利用一个低于阈值的光学参量腔来制备压缩态光场，并且为了获得压缩态光场的高效、稳定输出，需要实现光学参量腔的腔长与基频光的精确锁定。通过给光学参量腔注入一束种子光，并利用从光学参量腔反射的光场提取锁腔误差信号，可以实现腔长锁定。然而，由于光学参量是一种极端的过耦合腔，反射的光场中可用于锁定腔长的信号成分仅为万分之一，极低的误差信号信噪比对锁定环路的性能提出较高的要求，精确稳定锁定光学参量腔的腔长存在挑战。在MHz分析频段，种子光自身噪声水平达到散粒噪声，种子光注入锁定方法是可行的；而在百kHz以及更低频段，上述方法中种子光场的强度噪声，将通过光学参量过程，耦合到输出的压缩态光场中，严重限制压缩度的提升和压缩态光场在低频段的应用，亟需一种装置或方法来解决此问题。

发明内容

针对上述问题本发明提供了一种连续变量光学参量腔真空锁定装置及方法。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种连续变量光学参量腔真空锁定装置，其特征在于，包括双波长激光器、光学参量腔、光学谐振腔、光电调制移频系统、平衡零拍探测系统、第一隔离器、第一分束镜、声光调制器、第一半波片、第一光学偏振分束棱镜、第二半波片、第二分束镜、第一光学调制器、第二光学调制器、第一高反镜、第二隔离器、第三半波片、第二高反镜、第三高反镜、第四半波片、第二光学偏振分束棱镜、第五半波片、第一光电探测器、示波器、第二光电探测器、第三光电探测器、可折叠高反镜和频谱分析仪；

所述双波长激光器输出两束不同波长的激光，第一束532nm激光经过第一隔离器直接注入光学参量腔；第二束1064nm激光经过第一分束镜分为两路，穿过第一分束镜的第一路激光注入声光调制器，然后依次经过第一半波片、第一光学偏振分束棱镜、第二半波片，注入光学参量腔；经第一分束镜反射反射的第二路激光通过第二分束镜分为两路，经过第二分束镜反射的第三路激光注入光电调制移频系统，然后依次经过第一光学调制器、光学谐振腔、第二光学调制器、第一高反镜、第二隔离器、第三半波片，在第一光学偏振分束棱镜与第一路激光合束，同时注入光学参量腔，穿过第二分束镜的第四路激光经过第二高反镜、第三高反镜注入平衡零拍探测系统，所述光学参量腔输出的光场经过依次第四半波片、第二光学偏振分束棱镜、第五半波片注入平衡零拍探测系统，所述可折叠高反镜、第一光电探测器、示波器配合使用测量光学参量腔的透射峰信号，所述第二光电探测器用于提取光学参量腔的腔长锁定误差信号，所述第三光电探测器用于获取压缩态光场的压缩角锁定误差信号，所述频谱分析仪与平衡零拍探测系统连接。

进一步，所述光学谐振腔采用三镜环形腔结构，分别由两个透过率为0.5％的光学平面输入/输出耦合镜和一个曲率半径为1.0m，反射率大于99.992％的光学高反镜组成，谐振腔长为225.0mm，对应的线宽为2MHz，自由光谱区1.29GHz，精细度约620。

一种连续变量光学参量腔真空锁定方法，包括以下步骤：

步骤1，双波长激光器输出两束激光，第一束激光通过第一隔离器抑制背向反射光场后，直接注入光学参量腔，调节光学参量腔的温度控制仪，使得满足最佳相位匹配条件所需的工作温度点，进而高效产生压缩态光场；

步骤2，第二束激光经第一分束镜分为两路，第一路激光通过声光调制器产生单边带光场，通过第一半波片将其旋转为S偏振方向，通过第一光学偏振分束棱镜、第二半波片，作为第一辅助光场注入光学参量腔中；

步骤3，第二路激光通过第二分束镜分为两路，第三路激光通过光电调制移频系统产生双边带光场，通过第一光学调制器注入光学谐振腔，利用PDH技术将光学谐振腔锁定在单边带光场上，进而透射单边带光场，通过第二光学调制器、第一高反镜、第二隔离器、第三半波片，第三半波片将其旋转为P偏振，作为第二辅助光场在第一光学偏振分束棱镜上与第一辅助光场合束，同时注入光学参量腔中；

步骤4，利用三角波信号驱动光学参量腔的压电陶瓷，扫描光学参量腔的腔长，利用第一光电探测器和示波器测量光学参量腔的透射峰信号，光学参量腔的输出光场经第四半波片、第二光学偏振分束棱镜又分为两束，其中S偏振的压缩态光场和第一辅助光场通过第五半波片输出到平衡零拍探测系统，P偏振的第二辅助光场则注入第二光电探测器，提取光学参量腔的腔长锁定误差信号，利用PDH技术将光学参量腔锁定在共振状态，实现压缩态光场的高效稳定输出；

步骤5，第四路激光作为本底探测光，通过第二高反镜、第三高反镜，与光学参量腔输出的压缩态光场及第一辅助光场在平衡零拍探测系统内高效耦合；

步骤6，利用第三光电探测器获取压缩态光场的压缩角锁定误差信号，结合PDH技术将压缩角锁定在固定方向，进一步利用平衡零拍探测系统输出的两路交流信号：第一路交流信号与解调信号混频低通后，同样利用PDH技术将平衡零拍探测系统的探测角度锁定在确定的方向上；第二路交流信号直接输入频谱分析仪来检测噪声水平，探测压缩态光场压缩度。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

本发明包含一个光学参量腔，光电调制移频系统和高精细度光学谐振腔。光学谐振腔锁定在光电调制移频系统产生的单个移频边带上，使得输出的辅助光场为单一频率的、空间模式良好的光场，以辅助光场代替种子光作为OPO锁定的参考光，有效提高光学参量腔对辅助光场模式匹配效率，抑制额外噪声。并且相比于双共振OPO方案，本发明对光学参量腔温度漂移具有较好的免疫特性，为进一步低频段高压缩度量子光源实用化提供技术支持和方案。

附图说明

图1为本发明装置的示意图；

其中，1-双波长激光器，2-光学参量腔、3-光学谐振腔、4-光电调制移频系统、5-平衡零拍探测系统、6-第一隔离器、7-第一分束镜、8-声光调制器、9-第一半波片、10-第一光学偏振分束棱镜、11-第二半波片、12-第二分束镜、13-第一光学调制器、14-第二光学调制器、15-第一高反镜、16-第二隔离器、17-第三半波片、18-第二高反镜、19-第三高反镜、20-第四半波片、21-第二光学偏振分束棱镜、22-第五半波片、23-第一光电探测器、24-示波器、25-第二光电探测器、26-第三光电探测器、27-可折叠高反镜和28-频谱分析仪；

图2为光学谐振腔的透射峰及误差信号图；

图3为第二辅助光注入光学参量腔透射峰及误差信号图；

图4为在1MHz高频段测得压缩真空态结果图；

图5为在30kHz-100kHz频段测得压缩真空态结果图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种连续变量光学参量腔真空锁定装置，双波长激光器1、光学参量腔2、光学谐振腔3、光电调制移频系统4、平衡零拍探测系统5、第一隔离器6、第一分束镜7、声光调制器8、第一半波片9、第一光学偏振分束棱镜10、第二半波片11、第二分束镜12、第一光学调制器13、第二光学调制器14、第一高反镜15、第二隔离器16、第三半波片17、第二高反镜18、第三高反镜19、第四半波片20、第二光学偏振分束棱镜21、第五半波片22、第一光电探测器23(PD1)、示波器24、第二光电探测器25(PD2)、第三光电探测器26(PD3)、可折叠高反镜27和频谱分析仪28；

所述双波长激光器1输出两束不同波长的激光，第一束波长为532nm的绿光经过第一隔离器6直接注入光学参量腔2，用于泵浦参量过程，制备压缩态光场，双波长激光器1为全固态双波长激光器，利用可折叠高反镜27、第一光电探测器23和示波器24测量光学参量腔2的透射峰信号；

第二束波长为1064nm的红外激光经过第一分束镜7分为两路，穿过第一分束镜7的第一路激光注入声光调制器8，然后依次经过第一半波片9、第一光学偏振分束棱镜10、第二半波片11，作为频率标定光场，注入光学参量腔2，输出光场第四半波片20、第二光学偏振分束棱镜21、第五半波片22注入平衡零拍探测系统5(BHD)探测端口；

经第一分束镜7反射的第二路激光通过第二分束镜12分为两路，经过第二分束镜12反射的第三路激光注入光电调制移频系统4，然后依次经过第一光学调制器13、光学谐振腔3、第二光学调制器14、第一高反镜15、第二隔离器16、第三半波片17，在第一光学偏振分束棱镜10与第一路激光合束，同时注入光学参量腔2，输出后经第二光学偏振分束棱镜23反射，利用第二光电探测器25提取锁腔误差信号，锁定光学参量腔2的腔长，利用第三光电探测器26获取压缩态光场的压缩角锁定误差信号，第二光电探测器25为锁腔探测器，第三光电探测器26为共振型光电探测器；

穿过第二分束镜12的第四路激光作为本底探测光，经过第二高反镜18、第三高反镜19注入平衡零拍探测系统5，用以探测压缩态光场压缩度，所述频谱分析仪28与平衡零拍探测系统5连接；

光学参量腔2采用的是半整体腔型结构，该腔由一片安装于压电陶瓷上的凹面镜和一块尺寸为1mm×2mm×10mm的PPKTP晶体构成。PPKTP晶体为双端平行晶体，其中一端镀有1064nm和532nm双高反膜，充当光学参量腔的一面腔镜。PPKTP晶体的另一端镀有1064nm和532nm双减反膜，距输出耦合镜21mm。输出耦合镜的凹面曲率半径为30mm，对1064nm激光透射率为15％，对532nm为减反。上述所提高反膜，反射率均大于99.95％；减反膜，反射率均小于0.2％。PPKTP晶体的温度由两片帕尔贴元件控制在相位匹配点，约35摄氏度。

光电移频调制系统4采用光纤耦合型波导相位调制器，带宽可达10GHz，涵盖了光学参量腔的整个自由光谱区。用频率为ω的射频信号驱动波导相位调制器，可产生对称分布在载波两侧的正负边带光场。通过光学谐振腔3只透射调制边带，作为辅助锁定光场注入光学参量腔2中。

光学谐振腔3为高精度光学谐振腔，采用三镜环形腔结构，分别由两个透过率为0.5％的光学平面输入/输出耦合镜和一个曲率半径为1.0m，反射率大于99.992％的光学高反镜组成，谐振腔长为225.0mm，对应的线宽为2MHz，自由光谱区1.29GHz，精细度约620。上述参数可满足光学谐振腔15对共振频率模式约80％的透过率，以及对其他非共振频率模式大于10

由于光学参量腔2中PPKTP晶体的自然双折射效应，导致相同波长，而偏振方向不同的激光场在光学参量腔2内并不简并，无法同时共振。一般地，注入光学参量腔2的种子光，即频率标定光场为s偏振，而本装置中真空辅助锁定光场为p偏振，不同的偏振方向使得辅助锁定光场不参与光学参量过程，因此不会产生噪声耦合湮没压缩态光场噪声的结果。

调节光电移频调制系统4的驱动频率，使得辅助锁定光场和频率标定光场在示波器采集的透射峰时域上重合，进而将OPO锁定在压缩态载波场共振状态。

光学参量腔2输出的压缩真空态和本底探测光进行高效耦合，并利用平衡零拍探测器5，结合频谱分析仪28来检测噪声水平。

一种基于上述装置的连续变量光学参量腔真空锁定方法，包括以下步骤：

步骤1，双波长激光器1输出两束激光，第一束波长为532nm的绿光通过第一隔离器6抑制背向反射光场后，直接注入光学参量腔2，调节光学参量腔2的温度控制仪，使得满足最佳相位匹配条件所需的工作温度点(约35℃)，进而高效产生压缩态光场；

步骤2，第二束波长为1064nm的红外激光经第一分束镜7分为两路，第一路激光通过声光调制器8产生单边带光场，通过第一半波片9将其旋转为S偏振方向，通过第一光学偏振分束棱镜10、第二半波片11，作为第一辅助光场(频率标定光场以及压缩角锁定光场)注入光学参量腔2中；

步骤3，第二路激光通过第二分束镜7分为两路，第三路激光通过光电调制移频系统4产生频量为±GHz量级的双边带光场，通过驱动频率为35.0MHz的第一光学调制器13注入光学谐振腔3，利用PDH技术将光学谐振腔3锁定在移频+GHz的单边带光场上，进而透射单边带光场，实现载波场及-GHz边带场的高效滤除。光电调制移频系统4采用光纤耦合型波导相位调制器，带宽可达10GHz，涵盖了光学参量腔2的整个自由光谱区。通过驱动频率为42.5MHz的第二光学调制器14、第一高反镜15、第二隔离器16、第三半波片17，第三半波片17将其旋转为P偏振，作为第二辅助光场在第一光学偏振分束棱镜10上与第一辅助光场合束，同时注入光学参量腔2中；

步骤4，利用频率为30Hz的三角波信号驱动光学参量腔2的压电陶瓷，扫描光学参量腔2的腔长，利用第一光电探测器23和示波器24测量光学参量腔2的透射峰信号，其包括两部分：S偏振、移频10MHz的第一辅助光场和P偏振、移频GHz量级的第二辅助光场。由于光学参量腔2中非线性晶体的自然双折射效应，通过精细调节光电调制移频系统4的驱动频率，改变第二辅助光场的移频量，使得第二辅助光场和第一辅助光场在时域(示波器)上严格重合。由于本发明采用的光学参量腔2线宽达70MHz，第二辅助光场与移频10MHz的第一辅助光场的严格重合，标志第二辅助光场与压缩态光场的重合，可以实现压缩态光场在光学参量腔2中的共振输出。此外，光电调制移频系统4具体的驱动频率由光学参量腔2中非线性晶体的长度、折射率以及控温温度所决定。光学参量腔2的输出光场经第四半波片20、第二光学偏振分束棱镜21又分为两束，其中S偏振的压缩态光场和第一辅助光场通过第五半波片22输出到平衡零拍探测器，P偏振的第二辅助光场则注入共振频率为42.5MHz的第二光电探测器25，提取光学参量腔2的腔长锁定误差信号，利用PDH技术将光学参量腔锁定在共振状态，实现压缩态光场的高效稳定输出；

步骤5，第四路激光作为本底探测光，通过第二高反镜18、第三高反镜19，与光学参量腔2输出的压缩态光场及第一辅助光场高效耦合，进一步注入平衡零拍探测系统5；

步骤6，光场压缩态的制备为相敏操作，需要锁定具体实施压缩操作的压缩角度以及平衡零拍探测系统5的探测角度。利用20MHz的共振型第三光电探测器26，获取压缩态光场的压缩角锁定误差信号，结合PDH技术将压缩角锁定在固定方向，进一步利用平衡零拍探测系统5输出的两路交流信号：第一路交流信号与10MHz的解调信号混频低通后，同样利用PDH技术将平衡零拍探测系统5的探测角度锁定在确定的方向上；第二路交流信号直接输入频谱分析仪28来检测噪声水平，探测压缩态光场压缩度。

以下提供本发明的测试结果。

测试1

如图2所示，光学谐振腔的透射峰及误差信号结果图，从图中可以清晰看出光电调制移频系统输出的载波场及相应的边带场，调制移频效率约25.4％(根据实际需求可连续调节调制效率)。并且高精细度的光学谐振腔及大于99％的模式匹配效率可保证其输出辅助光场的空间模式为基模。

如图3所示，利用PD2采集到的p偏第二辅助锁定光场注入光学参量腔时的透射峰和误差信号结果图，模式匹配效率大于97％，腔长锁定的误差信号信噪比达到90，满足稳定锁定OPO的要求。

测试2

如图4所示，在1MHz高频段，利用频谱仪测得压缩真空态结果，可稳定获得9.0dB的压缩真空态光场。

如图5所示，在30kHz-100kHz频段测得压缩真空态结果，可稳定获得8.8dB的压缩真空态光场。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。