一种基于铯原子系综产生亚kHz低频强度差压缩的装置

摘要

本发明涉及一种基于铯原子系综产生亚kHz低频强度差压缩的装置。本发明主要是解决现有低频压缩态装置存在的价格昂贵、体积庞大的技术问题。本发明采用的技术方案是：一种基于铯原子系综产生亚kHz低频强度差压缩的装置，其包括半导体激光器、单模光纤、反射镜、光学分束镜、电光调制器、法布里‑珀罗标准具组、透镜组、半波片、格兰激光棱镜、铯原子池、格兰汤姆森棱镜、光束收集器、高频信号发生器、光电探测器、减法器和频谱分析仪。所述半导体激光器放置于独立、隔热平台表面，并加盖绝热罩将半导体激光器和所述平台与外界环境隔离。本发明可获得最大压缩度为‑6dB低频至1kHz的强度差压缩，并且该装置性能稳定，结构紧凑，可实现商业化生产。

权利要求

1.一种基于铯原子系综产生亚kHz低频强度差压缩的装置，其特征在于：包括半导体激光器(1)、单模光纤(2)、第一反射镜(31)、第二反射镜(32)、第三反射镜(33)、光学分束镜(4)、电光调制器(5)、法布里-珀罗标准具组(6)、第一透镜组(71)、第二透镜组(72)、第一半波片(81)、第二半波片(82)、格兰激光棱镜(9)、铯原子池(10)、格兰汤姆森棱镜(11)、光束收集器(12)、第一光电探测器(141)、第二光电探测器(142)、减法器(15)和频谱分析仪(16)；所述半导体激光器(1)放置于独立、隔热平台表面，并加盖绝热罩将半导体激光器和所述平台与外界环境隔离；

所述单模光纤(2)的一端与所述半导体激光器(1)的输出端连接，所述单模光纤(2)的另一端与第一反射镜(31)的输入端连接，将所述半导体激光器(1)与实验平台连接，所述实验平台与所述半导体激光器(1)独立放置；

所述第一反射镜(31)设在所述单模光纤(2)的上方；

所述光学分束镜(4)设在第一反射镜(31)的反射光路上，且光学分束镜(4)位于第一反射镜(31)与第二反射镜(32)之间；

所述电光调制器(5)、法布里-珀罗标准具组(6)、第一透镜组(71)和所述第三反射镜(33)依序设置在所述光学分束镜(4)的反射光路上；

所述第二反射镜(32)设置在所述光学分束镜(4)的透射光路上；

所述第一半波片(81)、所述格兰激光棱镜(9)和所述铯原子池(10)依序设置在所述第三反射镜(33)的反射光路上；

第二透镜组(72)和所述第二半波片(82)依序设置在所述第二反射镜(32)的反射光路上，格兰激光棱镜(9)同时也位于第二反射镜(32)的反射光路上；

所述格兰汤姆森棱镜(11)放置在所述铯原子池(10)出射光光路上；

所述光束收集器(12)放置在所述格兰汤姆森棱镜(11)的反射光路上；

第一光电探测器(141)和第二光电探测器(142)交叉放置在所述格兰汤姆森棱镜(11)的透射光光路上；

所述减法器(15)的信号输入端与第一光电探测器(141)和第二光电探测器(142)的信号输出端连接后构成平衡探测装置；

所述频谱分析仪(16)的信号输入端与减法器(15)的信号输出端连接，用来探测所述平衡探测装置的输出信号。

2.根据权利要求1所述的基于铯原子系综产生亚kHz低频强度差压缩的装置，其特征在于：它还包括高频信号发生器(13)，所述高频信号发生器(13)的信号输出端与电光调制器(5)的信号输入端连接。

3.根据权利要求1所述的基于铯原子系综产生亚kHz低频强度差压缩的装置，其特征在于：所述半导体激光器(1)为内置激光放大器的半导体激光器。

4.根据权利要求1所述的基于铯原子系综产生亚kHz低频强度差压缩的装置，其特征在于：所述第一透镜组(71)和第二透镜组(72)均由两片相同透镜组成。

5.根据权利要求1所述的基于铯原子系综产生亚kHz低频强度差压缩的装置，其特征在于：所述第一光电探测器(141)和第二光电探测器(142)为两个参数完全相同的光电探测器。

说明书

一种基于铯原子系综产生亚kHz低频强度差压缩的装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于铯原子系综产生亚kHz低频强度差压缩的装置，它属于量子成像、量子精密测量技术领域。

背景技术

[0002] 压缩态光场作为一种非经典光场在量子精密测量与量子成像等领域具有广泛应用。产生压缩态光场的方法有多种，其中包括利用内置非线性晶体的光学参量振荡器、碱金属原子系综中的四波混频过程、光纤中的克尔效应以及强度反馈的激光二极管等。利用碱金属原子中的非简并四波混频过程产生的双模压缩态光场其频率对应于原子的跃迁能级，因此可以应用于基于原子系综的量子态存储和量子通讯。另一方面，低频压缩态由于其在量子精密测量领域的应用也备受人们关注。例如，利用低频压缩态可以提高引力波探测的灵敏度。2007年，美国国家标准技术局的Paul D.Lett教授小组使用钛宝石激光器作为光源利用铷原子系综中四波混频过程获得了最大压缩度为-8.8dB低频至2.5kHz的强度差压缩。然而，由于钛宝石激光器价格昂贵、体积庞大、对工作环境要求高等因素限制了获得的压缩光源的实际应用。相比之下，半导体激光器具有价格低、体积小、工作性能稳定、受外界环境影响小等优势，因此使用半导体激光器作为光源获得紧凑型量子光源具有重要意义。2012年，华东师范大学荆杰泰教授小组利用半导体激光器作为光源在铷原子系综中获得了最大压缩度为-7dB低频至8kHz的强度差压缩。

[0003] 目前，大多研究集中于铷原子系综中的非简并四波混频过程，利用铯原子系综中非简并四波混频过程产生压缩态光场的报导还很少，仅在2014年山西大学张俊香教授小组利用钛宝石激光器作为光源获得了-2.5dB的强度差压缩，然而其低频压缩特性并未被研究。与铷原子相比，铯原子具有如下优势：基于其基态超精细分裂的铯原子钟是目前时间单位秒的标准，且其D1线对应的波长处于砷化铟量子点激子发射频率区域，有利于原子和固态相干界面的发展。

发明内容

[0004] 本发明的目的是解决现有低频压缩态装置存在的价格昂贵、体积庞大的技术问题，提供一种基于铯原子系综产生亚kHz低频强度差压缩的装置。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

[0006] 一种基于铯原子系综产生亚kHz低频强度差压缩的装置，其包括半导体激光器、单模光纤、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、光学分束镜、电光调制器、法布里-珀罗标准具组、第一透镜组、第二透镜组、第一半波片、第二半波片、格兰激光棱镜、铯原子池、格兰汤姆森棱镜、光束收集器、第一光电探测器、第二光电探测器、减法器和频谱分析仪；所述半导体激光器放置于独立、隔热平台表面，并加盖绝热罩将半导体激光器和所述平台与外界环境隔离；

[0007] 所述单模光纤的一端与所述半导体激光器的输出端连接，所述单模光纤的另一端与第一反射镜的输入端连接，将所述半导体激光器与实验平台连接，所述实验平台与所述半导体激光器独立放置；

[0008] 所述第一反射镜设在所述单模光纤的上方；

[0009] 所述光学分束镜设在第一反射镜的反射光路上，且光学分束镜位于第一反射镜与第二反射镜之间；

[0010] 所述电光调制器、法布里-珀罗标准具组、第一透镜组和所述第三反射镜依序设置在所述光学分束镜的反射光路上；

[0011] 所述第二反射镜设置在所述光学分束镜的透射光路上；

[0012] 所述第一半波片、所述格兰激光棱镜和所述铯原子池依序设置在所述第三反射镜的反射光路上；

[0013] 第二透镜组和所述第二半波片依序设置在所述第二反射镜的反射光路上，格兰激光棱镜同时也位于第二反射镜的反射光路上；

[0014] 所述格兰汤姆森棱镜放置在所述铯原子池出射光光路上；

[0015] 所述光束收集器放置在所述格兰汤姆森棱镜的反射光路上；

[0016] 第一光电探测器和第二光电探测器交叉放置在所述格兰汤姆森棱镜的透射光光路上；

[0017] 所述减法器的信号输入端与第一光电探测器和第二光电探测器的信号输出端连接后构成平衡探测装置；

[0018] 所述频谱分析仪信号输入端与减法器的信号输出端连接，用来探测所述平衡探测装置的输出信号。

[0019] 进一步地，它还包括高频信号发生器，所述高频信号发生器的信号输出端与电光调制器的信号输入端连接。

[0020] 进一步地，所述半导体激光器为内置激光放大器的半导体激光器。

[0021] 进一步地，所述第一透镜组和第二透镜组均由两片相同透镜组成。

[0022] 进一步地，所述第一光电探测器和第二光电探测器为两个参数完全相同的光电探测器。

[0023] 本发明的有益效果为：

[0024] 本发明克服现有技术限制，使用半导体激光器作为光源，利用铯原子系综中四波混频过程产生了对应于铯原子D1线最大压缩度为-6dB的强度差压缩光源，且低频至1kHz以下也观察到了压缩。由于该发明装置结构紧凑、系统性能稳定，易于操作，有望用于量子成像及非经典光场与冷原子相互作用研究。

附图说明

[0025] 图1是本发明的结构示意图；

[0026] 图2是本发明的133Cs原子双“∧”结构及非简并四波混频过程的示意图；

[0027] 图3是本发明获得到的强度差噪声功率/频率图，其中，曲线A为归一化的标准量子极限，曲线B为探针光和共轭光的强度差噪声功率,曲线C、D分别为探针光和共轭光单独一束光的信号噪声功率；

[0028] 图4是本发明获得到的低频处的强度差噪声功率/频率图，其中，曲线A为归一化的标准量子极限，曲线B为探针光和共轭光的强度差噪声功率。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

[0030] 如图1所示，本实施例中的一种基于铯原子系综产生亚kHz低频强度差压缩的装置，其包括半导体激光器1、单模光纤2、第一反射镜31、第二反射镜32、第三反射镜33、光学分束镜4、电光调制器5、法布里-珀罗标准具组6、第一透镜组71、第二透镜组72、第一半波片81、第二半波片82、格兰激光棱镜9、铯原子池10、格兰汤姆森棱镜11、光束收集器12、第一光电探测器141、第二光电探测器142、减法器15和频谱分析仪16；所述半导体激光器1放置于独立、隔热平台表面，并加盖绝热罩将半导体激光器和所述平台与外界环境隔离；

[0031] 所述单模光纤2的一端与所述半导体激光器1的输出端连接，所述单模光纤2的另一端与第一反射镜31的输入端连接，将所述半导体激光器1与实验平台连接，所述实验平台与所述半导体激光器1独立放置；

[0032] 所述第一反射镜31设在所述单模光纤2的上方；

[0033] 所述光学分束镜4设在第一反射镜31的反射光路上，且光学分束镜4位于第一反射镜31与第二反射镜32之间；

[0034] 所述电光调制器5、法布里-珀罗标准具组6、第一透镜组71和所述第三反射镜33依序设置在所述光学分束镜4的反射光路上；

[0035] 所述第二反射镜32设置在所述光学分束镜4的透射光路上；

[0036] 所述第一半波片81、所述格兰激光棱镜9和所述铯原子池10依序设置在所述第三反射镜33的反射光路上；

[0037] 第二透镜组72和所述第二半波片82依序设置在所述第二反射镜32的反射光路上，格兰激光棱镜9同时也位于第二反射镜32的反射光路上；

[0038] 所述格兰汤姆森棱镜11放置在所述铯原子池10出射光光路上；

[0039] 所述光束收集器12放置在所述格兰汤姆森棱镜11的反射光路上；

[0040] 第一光电探测器141和第二光电探测器142交叉放置在所述格兰汤姆森棱镜11的透射光光路上；

[0041] 所述减法器15的信号输入端与第一光电探测器141和第二光电探测器142的信号输出端连接后构成平衡探测装置；

[0042] 所述频谱分析仪16的信号输入端与减法器15的信号输出端连接，用来探测所述平衡探测装置的输出信号。

[0043] 进一步地，它还包括高频信号发生器13，所述高频信号发生器13的信号输出端与电光调制器5的信号输入端连接。

[0044] 进一步地，所述半导体激光器1为内置激光放大器的半导体激光器。

[0045] 进一步地，所述第一透镜组71和第二透镜组72均由两片相同透镜组成。

[0046] 进一步地，所述第一光电探测器141和第二光电探测器142为两个参数完全相同的光电探测器。

[0047] 本实施例中，半导体激光器1为内置激光放大器的半导体激光器，放置在一个独立、隔热的小平台上，并加盖绝热罩将半导体激光器与外界环境隔离，光源通过单模光纤2耦合输出，其具有输出功率高，功率、频率及偏振稳定性好，低频噪声低，光束质量好等优点。半导体激光器1发射出一束功率为900mW，频率对应于133Cs原子D1线(6S1/2,F＝3→6P1/2,F′＝4，895nm)蓝失谐1.6GHz的激光，该束光通过单模光纤2传输到第一反射镜31，然后被光学分束镜4分成水平方向光束和竖直方向光束。

[0048] 其中，竖直方向光束经过电光调制器5产生两个±9.2GHz的边带。半导体激光器1下方的高频信号发生器13连接到电光调制器5的射频输入端口。携带有调制边带的水平偏振光经过法布里-珀罗标准具组6将仅有对应于探针光频率的光滤出作为探针光。第一透镜组71将探针光光斑整型成在铯原子池中心腰斑为300μm的高斯光束，通过第三反射镜33反射后，依次经过设置在第三反射镜33后方的第一半波片81和格兰激光棱镜9，调节第一半波片81使得透过格兰激光棱镜9的探针光场强度为15μW。

[0049] 其中，水平方向光束经将第二反射镜32反射作为泵浦光。泵浦光依次通过第二透镜组72和第二半波片82，第二透镜组72将泵浦光光斑整型成在铯原子池中心腰斑为560μm的高斯光束，调节第二半波片82将泵浦光调节为垂直偏振光，垂直偏振的泵浦光经过格兰激光棱镜反射9和水平偏振探针光以6mrad夹角在铯原子池10中心相交。垂直偏振的泵浦光光场强度为600mW。

[0050] 探针光和泵浦光在铯原子池10中发生四波混频过程，其中探针光的光功率被放大至G倍，产生的共轭光光功率为G-1倍，两束光偏振相同均为水平偏振光。四波混频过程必须满足能量守恒和动量守恒，因此探针光与共轭光对称分布在泵浦光的两侧。

[0051] 如图2所示，6S1/2、6P1/2为133Cs原子的双“∧”能级结构图，6S1/2,F＝3,F＝4为基态超精细分裂的两个能级，能级间隔为9.2GHz。6P1/2,F′＝4为一个激发态。泵浦光频率对应133Cs原子D1线(6S1/2,F＝3→6P1/2,F′＝4，895nm)蓝失谐1.6GHz，探针光频率对应133Cs原子D1线(6S1/2,F＝4→6P1/2,F′＝4，895nm)蓝失谐1.6GHz。探针光与泵浦光在铯原子池中发生非简并四波混频过程，探针光光功率被增强，同时在泵浦光另一侧产生一束与探针光频率差18.4GHz、功率相差不大的共轭光。

[0052] 格兰汤姆森棱镜11设置在铯原子池10的后方，其消光比达到105:1，强泵浦光被格兰汤姆森棱镜11反射，探针光和共轭光经过格兰汤姆森棱镜11透射。光束收集器12设置在格兰汤姆森棱镜11的下方，收集格兰汤姆森棱镜11反射的垂直偏振泵浦光。

[0053] 第一光电探测器141、第二光电探测器142和减法器15共同构成一种基于铯原子系综中非简并四波混频过程产生亚kHz低频强度差压缩装置的平衡探测系统。第一光电探测器141用于探测探针光，第二光电探测器142用于探测共轭光，两探测器信号同时进入减法器15可以探测两束光的强度差噪声。频谱分析仪16用来探测探针光与共轭光的强度差噪声功率以及两束光单独的噪声功率。

[0054] 利用一束功率与探针光和共轭光功率之和相等的相干光，将该束相干光分为功率相等的两束光分别注入至第一光电探测器141和第二光电探测器142，经减法器15连接到频谱分析仪16得到的噪声谱即为标准量子极限。

[0055] 图3显示了本发明一种基于铯原子系综中非简并四波混频过程产生亚kHz低频强度差压缩的噪声功率谱测量结果。曲线A为归一化的标准量子极限，曲线B为强度差噪声功率，曲线C、D分别为探针光和共轭光单独一束光的信号噪声功率，曲线C、D可以看出探针光和共轭光单独一束光的信号噪声功率均高于标准量子极限，这表明它们均是热光场，但是曲线B表示的探针光和共轭光的强度差信号噪声功率低于标准量子极限，即利用本装置实现了强度差压缩态，其中0.06MHz处获得-6dB的最大压缩度。

[0056] 如图4所示，曲线A为归一化的标准量子极限，曲线B为强度差噪声功率，图中在频率低于1kHz处，强度差噪声仍然低于归一化的标准量子极限，且压缩度为-6dB，即利用本发明装置获得了低频至亚kHz的强度差压缩。