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        用平衡零拍來測量噪聲的傳遞特性

        2014-12-27 05:24:30張曉莉
        科技視界 2014年5期
        關(guān)鍵詞:邊帶光電流噪聲

        張曉莉 趙 霞

        (山西大學,山西 太原030006)

        1 背景介紹

        激光器以其低噪聲和高光譜純度特性廣泛的應用于精密測量,特別是在低頻信號的亞散粒噪聲的測量中有著重要的應用。最近幾年來,低頻壓縮[1]取得了顯著的進展,而且在引力波探測[2]中的應用使低頻信號的亞散粒噪聲測量有了更好的發(fā)展前景[3-4]。光學中零拍探測是量子光學中常用的探測方法。零拍探測器是一個不轉(zhuǎn)移測量頻率的對相位敏感的裝置,但是在量子噪聲水平的探測中沒有額外噪聲。在本文中,我們通過實驗證明了多成分本征場的噪聲躍遷。通過注入更容易產(chǎn)生的高頻壓縮態(tài),實現(xiàn)我們實驗中的亞散粒噪聲低頻信號測量。

        2 理論方面的計算

        本次實驗的實驗裝置圖如圖1,一束頻率為ω0的光場,經(jīng)過調(diào)至頻率為Ω的相位調(diào)制后,產(chǎn)生了一對一階邊帶,頻率為ω0±Ω。將調(diào)制后的激光邊帶頻移到頻率為ω0的信號光的邊帶上,從而,在低頻邊帶處的噪聲被壓縮。

        經(jīng)過調(diào)制的強的local光與一個弱的信號場在50:50分束器上耦合干涉,輸出端進入一個平衡探測器。隨后就進入了電學信號的分析部分。假設的相位調(diào)制場湮滅算符是弱的信號場是。經(jīng)過一系列的簡單的計算可以得到的光電流譜密度為:

        其中α是LO的振幅,T是探測時間,Jn(ε)是n階貝塞爾函數(shù)。)是弱信號場的歸一化方差。

        因此,可以看出這種方法將高頻處的光學噪聲平移到了低頻處。式(1)中,在低頻處的量子噪聲是在高頻處量子噪聲的線性疊加。其比重是完全取決于local場中所對應的頻率成分的比例。

        3 實驗操作

        一束單頻激光分割成兩部分,光強為100uW和1mW。功率較大的作為local光,用頻率5MHz信號調(diào)制。在50:50的分束器上與弱信號場進行干涉。將相對相位鎖定為0,第二個分束器輸出光進入平衡探測裝置。隨后將探測到的光電流信號送入譜儀進行分析。信號光的振幅噪聲通過開關(guān)相位調(diào)制器進行測量的,如圖3所示,信號光的噪聲只是高于散粒噪聲基準幾個分貝。通過對local光進行相位調(diào)制,使得local有了多個頻率成分。該光束一小部分進入一個F-P共焦腔,探測到的頻率成分比如圖2,光功率的分布為:2P2:2P1:P0=0.2:0.64:0.16,因此,0階占總功率的16%。根據(jù)式(1),通過計算所探測的光電流方差:V(w)=0.16Vlf+0.84Vsnl,這與上述理論結(jié)果是一致的。

        圖1 實驗裝置圖

        圖2 用強度為23.94dBm的調(diào)制信號對光纖調(diào)制器調(diào)制的效果圖

        圖3 實驗測試與分析圖

        如圖3所示,曲線(a)是弱激光的噪聲,曲線(c)是散粒噪聲,曲線(b1)是本底光調(diào)制后實驗測量結(jié)果,粉色曲線(b2)是曲線(a)和曲線(c)的線性疊加。由此可以看出,實驗和理論值是非常吻合的。

        此部分工作是由中國國家自然科學基金No.11174189和No.60978008以及中國國家重點基礎研究項目NO.2010cb923102的共同資助下完成的。

        [1]Coherent Control of Vacuum Squeezing in the Gravitational-Wave Detection Band[Z].

        [2]A quantum-enhanced prototype gravitational-wave detector[Z].

        [3]Kirk McKenzie,Malcolm B·Gray,Ping Koy Lam,and David E·McClelland.“Technical limitations to homodyne detection at audio frequencies”[J].App.Opt.46,3389-2295(2007).

        [4]H Vahlbruch,S Chelkowski,K Danzmann and R Schnabel,“Quantum engineering of squeezed states for quantum communication and metrology”[J].New J.of Phys.9,371-(2007).

        [5]Zehui Zhai and Jiangrui Gao,“Low-frequency phase measurement with highfrequency squeezing”[J].21,Opt.Expr.9947-9959(2013).

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