一种光学场干涉位相差的锁定方法和装置

摘要

本发明提供了一种光学场干涉位相差的锁定方法，是将光电探测器输出的直流信号与混频器输出的具有正弦形式的微分信号相加或相减，获得锁定光学场任意干涉位相差的误差信号；将所获得的误差信号经过比例积分控制器和高压放大器反馈到光路中的压电陶瓷上，完成光学场任意干涉位相差的锁定。本发明还提供了实现上述光学场干涉位相差锁定方法的装置，该装置可用于两束光学场以任意位相差耦合；也可用于测量任意角度的光学场正交分量的量子起伏，优化量子逻辑操作和量子计算的结果。

权利要求

1.一种光学场干涉位相差的锁定方法，是将光电探测器输出的直流信号与混频器输出的具有正弦形式的微分信号相加或相减，获得锁定光学场任意干涉位相差的误差信号；将所获得的误差信号经过比例积分控制器和高压放大器反馈到光路中的压电陶瓷上，完成光学场任意干涉位相差的锁定；

所述的任意干涉位相差的误差信号是sinθ±kcosθ，其中θ称为初始位相差，对

应于扫描两束光学场相对位相时所对应的角度， 为任意位相差，其取值范围

为-π/2到π/2，通过调节比例系数k，将干涉位相差锁定到任意角度

所述光学场干涉位相差的锁定方法的锁定装置，包括第一信号发生器（1）、第一高压放大器（3）、第二信号发生器（4）、位相调制器（5）、光电探测器（6）、混频器（7）、低通滤波器（8）和比例积分控制器（11），光电探测器（6）输出的直流信号经过衰减器（9）后，与混频器（7）输出的经过低通滤波器（8）的具有正弦波形式的微分信号，通过加/减法器（10）相加或相减，得到锁定任意干涉位相差的误差信号，该误差信号经过比例积分控制器（11）、电子学开关（2）和第一高压放大器（3）后，反馈到第一压电陶瓷（13）上，完成任意干涉位相差的锁定。

说明书

一种光学场干涉位相差的锁定方法和装置

技术领域

[0001] 本发明涉及光学场干涉位相锁定方法，具体是一种光学场任意角度干涉位相差的锁定方法和装置。

背景技术

[0002] 光学场干涉位相锁定是量子光学实验中的一个重要技术，它在平衡零拍探测、制备多组份纠缠态光场、量子信息、量子计算等方面具有重要作用和广阔的应用前景。

[0003] 平衡零拍探测是量子光学实验中的一个重要工具，用于测量压缩态光场和纠缠态光场的量子起伏。在平衡零拍探测系统中，一束强的本地振荡光和一束待测量的微弱信号光在一个分束比为50%的光学分束器上耦合，通过锁定两束光学场之间的相对位相差，即可测量信号光场的正交振幅或正交位相分量的量子起伏。当两束光学场的干涉位相锁定到零位相差时，可测量信号光场的正交振幅分量；当两束光学场的干涉位相锁定到π/2位相差时，可测量信号光场的正交位相分量。

[0004] 在制备多组份纠缠态光场的系统中，需要将多束压缩态光场在分束器上耦合，此时需要锁定相耦合的两束光学场的干涉位相差。在执行量子信息和量子计算方案时，多处涉及到光学场在光学分束器上的耦合，需要锁定光学场之间的相对位相差，以获得所需的光学场量子态。

[0005] 两束频率相同、偏振相同的光学场在一个光学分束器上干涉时，其干涉信号正比于余弦波信号cosθ，θ称为初始位相差，对应于扫描两束光学场相对位相时所对应的角度。当锁定两束光学场的相对位相差到零位相差或π位相差时，其误差信号为干涉信号cosθ微分得到的sinθ。由于sin 0=sinπ=0，如果有位相起伏，则此误差信号的值在零点附近上下起伏。将此误差信号反馈到位相控制元件上，即可完成对零位相差或π位相差的锁定。当锁定两束光学场的相对位相差到π/2位相差时，干涉信号cosθ可直接作为误差信号。由于cos(π/2)=0，如果有位相起伏，则此误差信号的值在零点附近上下起伏。将此误差信号反馈到位相控制元件上，即可完成对π/2位相差的锁定。

[0006] 在目前的量子光学实验中，通常是锁定两束光学场的干涉位相差到零位相差、π位相差或π/2位相差，即锁定干涉位相差到容易锁定的几个固定位相差。这就限制了量子逻辑操作和量子计算的执行结果。如果将两束光学场的干涉位相锁定到任意位相差，则可测量任意角度的光学场正交分量的量子起伏，优化量子逻辑操作和量子计算的结果。

发明内容

[0007] 本发明的目的是提供一种光学场任意干涉位相差的锁定方法和装置。

[0008] 本发明提供的一种光学场干涉位相差的锁定方法，是将光电探测器输出的直流信号与混频器输出的正弦信号相加或相减，获得锁定光学场任意干涉位相差的误差信号；将所获得的误差信号经过比例积分控制器和高压放大器反馈到光路中的压电陶瓷上，完成光学场任意干涉位相差的锁定。

[0009] 所述的任意干涉位相差（对应于任意角度 ）的误差信号是sinθ±kcosθ，其中θ称为初始位相差，对应于扫描两束光学场相对位相时所对应的角度，通过衰减器调节正弦波信号和余弦波信号耦合的比列系数k可得到锁定任意位相差的误差信号。由于其中 则此信号可作为锁定干涉位相差到 或 的误差信号，这里取初始位相差θ=0。通过选取合适的比例系数k，可将两束光场之间的干涉位相差从θ=0平移任意角度 即锁定干涉位相差到任意角度 的取值范围为-π/2到π/2，则此误差信号可用于锁定-π/2到π/2之间的任意角度，其锁定范围为π。将误差信号反相，则可锁定π/2到3π/2之间的任意角度。由于三角函数的周期性，则此误差信号可用于锁定任意位相差。

[0010] 本发明设计的一种光学场干涉位相差的锁定装置，包括第一信号发生器、第一高压放大器、第二信号发生器、位相调制器、光电探测器、混频器、低通滤波器和比例积分控制器，其特征在于光电探测器输出的直流信号经过衰减器后，与混频器输出的经过低通滤波器的具有正弦波形式的微分信号，通过加/减法器相加或相减，得到锁定任意干涉位相差的误差信号，该误差信号经过比例积分控制器、电子学开关和第一高压放大器后，反馈到第一压电陶瓷上，完成任意干涉位相差的锁定。

[0011] 本发明设计的一种光学场干涉位相差的锁定装置，包括第一信号发生器、第一高压放大器、光电探测器，比例积分控制器，锁相放大器和第二高压放大器，其特征在于光电探测器输出的直流信号经过衰减器后，与锁相放大器输出的具有正弦波形式的微分信号，通过加/减法器相加或相减，得到锁定任意干涉位相差的误差信号，误差信号经过比例积分控制器、电子学开关和第一高压放大器后，反馈到第一压电陶瓷上，完成任意干涉位相差的锁定。

[0012] 本发明设计的光学场干涉位相差的锁定方法和装置的特点在于可以锁定两束光学场之间的干涉位相差到任意角度。

[0013] 总之，本发明采用将光电探测器输出的直流信号与混频器输出的正弦波信号相加或相减的方法，获得了锁定任意位相差的误差信号，完成了光学场任意干涉位相差的锁定。本发明装置可用于两束光学场以任意位相差耦合；也可用于测量任意角度的光学场正交分量的量子起伏，优化量子逻辑操作和量子计算的结果。

附图说明

[0014] 图1是光学场干涉位相差锁定装置示意图

[0015] 图2是利用锁相放大器实现的光学场位相差锁定装置示意图

[0016] 图3是光学场位相差锁定装置在平衡零拍探测系统中应用示意图[0017] 图4是锁定两束光学场干涉位相差为60度时的误差信号

[0018] 图5是锁定两束光学场干涉位相差为60度时的结果

具体实施方式

[0019] 一种实施方式，如图1所示，第一信号发生器1产生约10Hz的锯齿波信号（或正弦波信号），经过电子学开关2和第一高压放大器3后，加载到粘在一个光学反射镜背面的第一压电陶瓷13上，扫描两束光场之间的相对位相；第二信号发生器4产生一个频率约为10MHz的调制信号，经过位相调制器5对一束光场进行位相调制；两束光场在一个光学分束器12上干涉；位于光学反射镜14后的光电探测器6探测到干涉信号后，输出的交流信号与第二信号发生器4的调制信号在混频器7中混频，混频器输出的具有正弦波形式的微分信号经过一个低通滤波器8滤波，光电探测器6输出的直流信号经过衰减器9后，与经过低通滤波器8的微分信号通过一个加/减法器10相加或相减，得到误差信号，误差信号经过比例积分控制器11、电子学开关2和第一高压放大器3后，反馈到第一压电陶瓷13上，完成任意干涉位相差的锁定。当电子学开关2处于扫描状态时，第一信号发生器1所产生的信号，经过电子学开关2和第一高压放大器3被加载到第一压电陶瓷13上；当电子学开关2处于锁定状态时，加/减法器10所输出的误差信号，经过电子学开关2和第一高压放大器3被加载到第一压电陶瓷13上。

[0020] 另一种实施方式，如图2所示，第一信号发生器1产生约10Hz的锯齿波信号（或正弦波信号），经过电子学开关2和第一高压放大器3后，加载到粘在一个光学反射镜上的第一压电陶瓷13上，扫描两束光场之间的相对位相；锁相放大器15产生一个频率约为几十kHz的调制信号，经过第二高压放大器16加载到一个粘在光学反射镜背面的第二压电陶瓷17上，对一束光学场进行调制；位于光学反射镜14后的光电探测器6探测到干涉信号后，输出的交流信号进入锁相放大器15解调，输出一个具有正弦波形式的微分信号；光电探测器6输出的直流信号经过衰减器9后，与锁相放大器15输出的微分信号，通过加/减法器
10相加或相减，得到锁定任意位相差的误差信号；该误差信号经过比例积分控制器11、电子学开关2和第一高压放大器3后，反馈到第一压电陶瓷13上，完成任意干涉位相差的锁定。

[0021] 第一种实施方式在平衡零拍探测系统中的应用，如图3所示。在平衡零拍探测系统中，一束能量强的本地振荡光与一束能量弱的信号光场在一个光学分束器12上干涉。输出的光场全部进入光电探测器6进行测量。这里的光电探测器6包含两个光电探头，分别探测两束光学场，然后将光电探头输出的光电流相减，再分别输出直流信号和交流信号。第二信号发生器4产生一个频率为10MHz的调制信号，经过位相调制器5对一束能量强的本地振荡光进行位相调制。其余系统与图1相同，则可完成平衡零拍探测系统任意位相差的锁定。

[0022] 第一种实施方式在平衡零拍探测系统（见图3）中锁定两束光学场干涉位相差为60度时的误差信号（见图4）。第一信号发生器1产生约10Hz的锯齿波信号（或正弦波信号），经过电子学开关2和第一高压放大器3后，加载到粘在一个光学反射镜背面的第一压电陶瓷13上，扫描两束光场之间的相对位相。此时光电探测器6输出的直流信号分出一部分来作为监视信号（见图4中上面的曲线1）。光电探测器6所输出的直流信号的另一部分信号经过衰减器9后，与经过低通滤波器8的微分信号通过一个加法器10相加，得到误差信号。这里选取k=tan 60°=1.732。图4中下面的曲线2为加法器10所输出的误差信号。
在监视信号干涉最大值的1/2处（对应于干涉位相差为60度，cos 60°=1/2）作标记（图中虚线位置，上面的虚线为监视信号干涉最大值的位置，下面的虚线为干涉位相差为60度的位置）。降低第一高压放大器3的增益，切换电子学开关2到锁定位置，调节第一高压放大器3的偏置电压使监视信号到达标记位置处，然后将比例积分控制器11输出的反馈信号经过第一高压放大器3反馈到第一压电陶瓷13上，控制干涉位相差到60度。

[0023] 第一种实施方式在平衡零拍探测系统（见图3）中锁定两束光学场干涉位相差为60度时的结果（见图5）。可以看到上面的曲线1位于干涉位相差为60度的位置（即图4中所标记的虚线位置），这说明已锁定两束光学场干涉位相差为60度。下面的曲线2为此时所对应的误差信号。

[0024] 本发明的核心是利用加/减法器将光电探测器输出的直流信号与混频器输出的具有正弦形式的微分信号相加或相减，获得锁定光学场任意干涉位相差的误差信号，将所获得的误差信号经过比例积分控制器和高压放大器反馈到光路中的压电陶瓷上，完成光学场任意干涉位相差的锁定。此方法和装置可被应用到光学场耦合位相差控制、平衡零拍探测、量子信息、量子计算等方面。以上列举的实施方式仅仅是典型。不难看出，由各种不同光电探测器、光学调制器和锁相放大器的组合，其它实施方式还有很多。