溫馨韓亞帥劉金玉白樂(lè)樂(lè)何軍3) 王軍民3)

1)(山西大學(xué),量子光學(xué)與光量子器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030006)

2)(山西大學(xué)光電研究所,太原 030006)

3)(山西大學(xué),極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心,太原 030006)

1 引 言

壓縮光在量子光學(xué)領(lǐng)域有著非常重要的意義.利用其噪聲方差低于經(jīng)典相干態(tài)的特點(diǎn),可以廣泛應(yīng)用于量子通信、量子存儲(chǔ)、精密測(cè)量等領(lǐng)域[1?4].1981年,Caves[5]提出可以利用壓縮光填補(bǔ)干涉儀的真空通道,降低噪聲以提高干涉儀的測(cè)量靈敏度,從而促進(jìn)了壓縮光在精密測(cè)量中的應(yīng)用.非線(xiàn)性光學(xué)參量振蕩(OPO)是一種通用的制備壓縮態(tài)的實(shí)驗(yàn)方案.壓縮光的特性通常利用光場(chǎng)的噪聲方差來(lái)描述,任意波長(zhǎng)的光場(chǎng)均可以對(duì)其不同分析頻率處的噪聲進(jìn)行測(cè)量.在MHz分析頻段,固體激光器具有非常安靜的噪聲背景,可以達(dá)到散粒噪聲水平.壓縮光制備實(shí)驗(yàn)大多處于MHz分析頻段.2016年,Schnabel等[6]在實(shí)驗(yàn)上制備了1064 nm的真空壓縮,實(shí)現(xiàn)了目前最高的壓縮度?15 dB,其分析頻率處于3—8 MHz.而在某些特定領(lǐng)域,需要聲頻段的壓縮光,如引力波的探測(cè)、心磁測(cè)量、腦磁測(cè)量等,由雙黑洞旋轉(zhuǎn)靠近最終合并所導(dǎo)致的引力波,其頻率在10 Hz—10 kHz的聲頻段[7,8],而對(duì)人類(lèi)腦磁測(cè)量和心磁測(cè)量中需要低至kHz及以下的探測(cè)頻率[9].因此,低分析頻段的壓縮光將有非常重要的應(yīng)用價(jià)值.而固體激光器在MHz及以下的弛豫振蕩峰具有遠(yuǎn)高于散粒噪聲水平的噪聲背景,其本身的噪聲將會(huì)傳遞到壓縮光產(chǎn)生系統(tǒng)中.除此之外,各種經(jīng)典的低頻噪聲,如熱噪聲、光束抖動(dòng)、寄生干涉、氣流擾動(dòng)等,特別是隨機(jī)的機(jī)械振動(dòng)噪聲將不可避免地耦合到壓縮光的探測(cè)系統(tǒng)中,因此獲得低分析頻段的壓縮光具有很大的挑戰(zhàn)性.

在低的分析頻段,各種額外噪聲的影響限制了壓縮的測(cè)量,實(shí)際得到的壓縮度往往低于MHz頻段.影響低頻壓縮的因素主要有兩點(diǎn):技術(shù)噪聲對(duì)探測(cè)系統(tǒng)的影響和控制光噪聲的耦合對(duì)壓縮度的限制.聲頻段的技術(shù)噪聲主要來(lái)源于探測(cè)系統(tǒng)中經(jīng)典噪聲的耦合;OPO腔內(nèi)的控制光主要用于穩(wěn)定OPO腔長(zhǎng)的鎖腔輔助光束和控制壓縮角的信號(hào)光,其噪聲來(lái)自激光器本身.為了得到低分析頻率的壓縮光,必須對(duì)以上的噪聲源進(jìn)行精細(xì)控制,同時(shí)需要對(duì)平衡零拍探測(cè)器的電子學(xué)噪聲背景進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).聲頻段低噪聲、高共模抑制比的平衡零拍探測(cè)器是低頻壓縮光探測(cè)過(guò)程中必不可少的器件.

低分析頻段的壓縮光已經(jīng)在幾種不同的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn).Bowen等[10]和Schnabel等[11]將兩個(gè)光學(xué)參量放大腔(OPA)置于 Mach-Zehnder(MZ)干涉儀中,利用干涉的方法分別得到了分析頻率220和80 kHz的1064 nm的壓縮真空.McKenzie等[12]使用量子噪聲鎖定的方法用于壓縮位相的鎖定,實(shí)現(xiàn)了分析頻率280 Hz的1064 nm的壓縮真空.山西大學(xué)郜江瑞教授研究組[13]利用類(lèi)似的方法,在低至19 kHz的分析頻率得到了?7 dB的1080 nm的正交位相壓縮光,將其注入測(cè)量位相信號(hào)的MZ干涉儀中,得到了低于散粒噪聲水平3 dB的噪聲背景.Vahlbruch等[14]利用相干控制的方法實(shí)現(xiàn)了分析頻率低至1 Hz的1064 nm的壓縮真空,1 Hz是目前壓縮光制備實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的最低分析頻率.實(shí)驗(yàn)中分別將兩束控制光經(jīng)過(guò)頻移用于鎖定參量振蕩腔腔長(zhǎng)和本底振蕩光(LO)與壓縮光的相對(duì)位相,從而避免了信號(hào)光噪聲的引入.

以上的結(jié)果均在1μm紅外波段,我們?cè)趯?shí)驗(yàn)上制備共振于銣原子D1線(xiàn)795 nm的壓縮光,與原子系統(tǒng)耦合,將用于對(duì)低頻磁場(chǎng)的高靈敏度測(cè)量.利用OPO過(guò)程制備壓縮光,通常使用非線(xiàn)性系數(shù)較高的PPKTP晶體,其透光范圍為400—3500 nm.通過(guò)OPO分別制備波長(zhǎng)795 nm和1064 nm的壓縮光,不僅需要795 nm和1064 nm單頻激光,還需要各自對(duì)應(yīng)的二次諧波397.5 nm和532 nm的單頻激光作為抽運(yùn)光;而不同波長(zhǎng)的激光(尤其是在短波段)在晶體內(nèi)部的吸收情況有很大的差別,這使得制備795 nm的壓縮光與之前的1064 nm壓縮光有很大的區(qū)別.1064 nm和795 nm的基頻光波長(zhǎng)處于PPKTP晶體透光范圍的中心,其吸收均較弱,基本上可以忽略;但PPKTP晶體對(duì)532 nm綠光和397.5 nm紫外光的吸收較強(qiáng),特別是后者吸收更嚴(yán)重(397.5 nm波長(zhǎng)已經(jīng)處在PPKTP晶體透光范圍的邊緣,具有非常強(qiáng)烈的吸收).PPKTP晶體對(duì)紫外光的吸收,還會(huì)導(dǎo)致額外的紅外吸收,這一損耗機(jī)制限制了壓縮度的提高.

本文通過(guò)對(duì)比1064 nm和795 nm壓縮光的制備及其影響因素,分析了非線(xiàn)性晶體對(duì)激光的吸收損耗與其引起的系統(tǒng)熱穩(wěn)定性在不同波長(zhǎng)的差別,討論了其對(duì)短波段壓縮光壓縮度的限制.對(duì)低分析頻段的隨機(jī)經(jīng)典噪聲進(jìn)行了優(yōu)化控制,在實(shí)驗(yàn)上利用連續(xù)鈦寶石激光器經(jīng)OPO制備了共振于銣原子D1線(xiàn)795 nm的真空壓縮光,在2.6—100 kHz的分析頻段得到了?2.8 dB的壓縮.

2 理論分析

利用閾值下的OPO產(chǎn)生壓縮真空,其輸出場(chǎng)的噪聲方差可以表示為[15]

其中R+代表反壓縮,R?代表壓縮,η為探測(cè)器的量子效率,ε為平衡零拍系統(tǒng)的干涉可見(jiàn)度,ζ為傳輸效率,ρ=T/(T+L)為逃逸效率;x=(P2ω/Pth)1/2為抽運(yùn)參數(shù),P2ω為抽運(yùn)光功率,Pth為OPO腔閾值;?=2πf/γ為失諧因子,f為分析頻率,γ=c(T+L)/l,為OPO腔的衰減率,T為OPO腔輸出耦合鏡的透過(guò)率,L為內(nèi)腔損耗,l為腔長(zhǎng),c為光速.從(1)式可以看出,影響壓縮光壓縮度的因素主要有探測(cè)器量子效率、平衡零拍系統(tǒng)干涉可見(jiàn)度、壓縮光的傳輸損耗、OPO腔的逃逸效率,損耗是壓縮度的最大限制因素.目前在不同波段均有高量子效率的光電二極管來(lái)滿(mǎn)足探測(cè)需要;平衡零拍干涉可見(jiàn)度、傳輸損耗與波長(zhǎng)無(wú)關(guān);而OPO腔的逃逸率主要受限于內(nèi)腔損耗,對(duì)PPKTP晶體,不同波長(zhǎng)激光的吸收會(huì)引起內(nèi)腔損耗的差異.

OPO腔的內(nèi)腔損耗主要包括腔鏡及晶體端面的散射、反射損耗,晶體對(duì)抽運(yùn)光和基頻壓縮光的吸收損耗,以及紫光誘導(dǎo)的紅外吸收損耗.PPKTP對(duì)不同波長(zhǎng)激光的吸收有很大的差別.對(duì)于紅外波段的1064 nm和795 nm,其吸收系數(shù)小于1%/cm,而對(duì)于OPO過(guò)程的抽運(yùn)光,532 nm的吸收系數(shù)約為4.5%/cm[16],397.5 nm的紫外波段吸收則高達(dá)18%/cm[17].PPKTP晶體存在非常嚴(yán)重的紫外光誘導(dǎo)的紅外吸收現(xiàn)象,通常稱(chēng)為“灰跡”效應(yīng)[18],即在紫光照射下,晶體對(duì)紅外光的吸收增加,內(nèi)腔損耗增大.這一現(xiàn)象在可見(jiàn)光波段普遍存在,但晶體對(duì)397.5 nm紫外光的吸收遠(yuǎn)大于532 nm綠光,由其所引起的額外紅外吸收損耗也相應(yīng)地遠(yuǎn)大于532 nm.損耗限制了795 nm壓縮光的壓縮度.圖1分析了在實(shí)驗(yàn)條件下?lián)p耗對(duì)壓縮和反壓縮壓縮度的影響.其中實(shí)驗(yàn)參數(shù)取值為:輸出耦合鏡透過(guò)率11.5%,探測(cè)器量子效率95%,平衡零拍干涉對(duì)比度99.7%,光路中傳輸效率97%,晶體有效非線(xiàn)性系數(shù)1.85%/W,抽運(yùn)光功率50 mW,分析頻率100 kHz,腔長(zhǎng)600 mm.

圖1 壓縮度隨內(nèi)腔損耗變化的理論曲線(xiàn),藍(lán)色實(shí)線(xiàn)和紅色虛線(xiàn)分別為壓縮與反壓縮的情況Fig.1.Theoretical predictions of the squeezing level versus intra-cavity loss.The blue solid line and the red dashed line are the cases of squeezing and antisqueezing respectively.

從圖1可知,隨內(nèi)腔損耗的增加,壓縮度和反壓縮度均明顯降低.我們之前的實(shí)驗(yàn)中對(duì)OPO腔內(nèi)損耗進(jìn)行了比較詳細(xì)的分析[15],在實(shí)驗(yàn)條件下,當(dāng)OPO腔內(nèi)未加抽運(yùn)光時(shí),通過(guò)腔精細(xì)度測(cè)得的內(nèi)腔損耗約為0.4%;當(dāng)腔內(nèi)注入紫光時(shí),經(jīng)過(guò)60 s的紫光照射,內(nèi)腔損耗增加到約1%,該現(xiàn)象即為紫外誘導(dǎo)的紅外吸收,即“灰跡”效應(yīng),造成內(nèi)腔損耗的增加.在目前的實(shí)驗(yàn)條件下,PPKTP晶體對(duì)紫外波段的吸收以及紫外光對(duì)晶體的“灰跡”效應(yīng)是這一波段不可避免的問(wèn)題,并且是OPO腔最主要的損耗來(lái)源.在此基礎(chǔ)上,795 nm必然無(wú)法得到在1064 nm同樣的壓縮度.如果新型的非線(xiàn)性晶體可以降低對(duì)795 nm及397.5 nm激光的吸收,即可在這一波段實(shí)現(xiàn)更高的壓縮度,同時(shí)有可能進(jìn)一步拓展壓縮光的波長(zhǎng)范圍.

另一方面,OPO腔長(zhǎng)鎖定的精度也會(huì)影響壓縮的產(chǎn)生.OPO采用無(wú)信號(hào)光的真空注入,因此需要增加輔助的鎖腔光.實(shí)驗(yàn)中使用了與OPO敏感方向(s偏振)偏振垂直(p偏振)且在腔內(nèi)反方向傳播的光束.由于腔內(nèi)非線(xiàn)性晶體的存在,兩種偏振光在晶體內(nèi)折射率不同,因此兩者的共振頻率不同.為保證s偏振的激光在腔內(nèi)共振,需要將p偏振鎖腔光進(jìn)行頻移,使得兩者可以同時(shí)在腔內(nèi)共振.非線(xiàn)性晶體對(duì)抽運(yùn)光的吸收會(huì)造成對(duì)晶體的加熱,使腔內(nèi)的熱穩(wěn)定性變差,并引起OPO腔長(zhǎng)的慢漂,從而影響腔長(zhǎng)鎖定的精確度及穩(wěn)定性.從上一部分的分析可知,PPKTP晶體對(duì)不同波長(zhǎng)激光的吸收具有很大的差別,532 nm的吸收系數(shù)僅約為397.5 nm的1/4,因此397.5 nm的抽運(yùn)光對(duì)晶體的加熱要遠(yuǎn)大于532 nm.即使在對(duì)晶體進(jìn)行精密控溫的情況下,仍很難彌補(bǔ)晶體內(nèi)熱量的積累,OPO腔長(zhǎng)仍會(huì)出現(xiàn)緩慢的變化,引起腔長(zhǎng)鎖定的誤差,從而使壓縮度降低.

對(duì)不同分析頻率處的壓縮而言,我們之前的實(shí)驗(yàn)中在2 MHz的分析頻率得到了?5.6 dB的795 nm壓縮真空[15],該結(jié)果與理論值接近.Wolfgramm等[19]也在80 kHz—2 MHz的分析頻率處測(cè)得了大約?3.2 dB的壓縮.對(duì)于1064 nm,最低在1 Hz分析頻率處測(cè)得了?3.5 dB的壓縮真空[14].受限于低頻技術(shù)噪聲的影響和探測(cè)器低頻段的探測(cè)性能,頻率越低越難測(cè)到高的壓縮度.從1064 nm的結(jié)果看,1 Hz處測(cè)得的壓縮度也低于高頻處約6.5 dB.而對(duì)795 nm,僅將壓縮頻帶擴(kuò)展到了幾十kHz的低頻分析頻率.理論上kHz的分析頻段具有2 MHz幾乎相同的壓縮度,但由于探測(cè)系統(tǒng)額外噪聲的耦合,實(shí)際測(cè)得的壓縮度普遍較低.這一部分噪聲主要包括系統(tǒng)的機(jī)械振動(dòng)、平衡零拍探測(cè)器的電子學(xué)噪聲、光路中的散射損耗、寄生干涉、光束的指向不穩(wěn)定及光電二極管表面的非均勻性等[20].這些噪聲是隨機(jī)的、不可控的,因此很難定量地判斷其大小,但通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的仔細(xì)控制可以得到部分優(yōu)化.

綜上所述,限制分析頻率在kHz范圍795 nm壓縮光產(chǎn)生的因素主要有兩部分:第一,晶體的吸收效應(yīng)造成內(nèi)腔損耗的增加,限制了壓縮度的提高;第二,低頻段經(jīng)典噪聲與探測(cè)系統(tǒng)的耦合降低了實(shí)際的壓縮度.

3 實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中使用連續(xù)的鈦寶石激光器作為光源,將激光器波長(zhǎng)調(diào)諧到銣原子D1線(xiàn)795 nm.激光器輸出光首先經(jīng)過(guò)一個(gè)30 dB的光隔離器以避免光反饋.之后,使用一個(gè)共振型的位相型電光調(diào)制器,給激光加3.6 MHz的調(diào)制信號(hào).利用射頻邊帶調(diào)制的方法可以鎖定諧振腔腔長(zhǎng).實(shí)驗(yàn)中共搭建了三個(gè)結(jié)構(gòu)相似的四鏡環(huán)形腔,分別為倍頻(SHG)腔、OPO腔和模式清潔(MC)腔.四鏡環(huán)形腔腔長(zhǎng)約600 mm,兩凹面鏡曲率半徑100 mm,間距約120 mm.SHG和OPO腔內(nèi)于兩凹面鏡之間放置1 mm×2 mm×10 mm的PPKTP晶體.利用ABCD矩陣計(jì)算得到晶體中心的腰斑半徑約為40μm,這里放寬了聚焦條件以緩解晶體內(nèi)對(duì)基頻光及倍頻光吸收引起的熱效應(yīng).OPO腔輸出耦合鏡對(duì)基波795 nm的透過(guò)率為11.5%,其余三片腔鏡均對(duì)基波高反;兩片平凹鏡所鍍膜層對(duì)397.5 nm高透,使得抽運(yùn)光單次穿過(guò)OPO腔,以避免紫外光的吸收所引起的熱效應(yīng).OPO腔的內(nèi)腔損耗約為0.4%,其對(duì)應(yīng)的逃逸率為96.6%.自制的平衡零拍探測(cè)器[21]在低頻段有較高的共模抑制比(CMRR)(約45 dB)和較低的電子學(xué)噪聲背景(低于散粒噪聲水平約16 dB).光電二極管采用德國(guó)First Sensor公司的PC20-7,在795 nm波長(zhǎng)處量子效率高達(dá)95%.

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示.鈦寶石激光器輸出的激光分成四束,分別用作倍頻過(guò)程的基頻光、OPO腔的信號(hào)光、OPO腔腔長(zhǎng)的鎖定光和平衡零拍探測(cè)的LO光.795 nm的基頻光經(jīng)倍頻得到397.5 nm的二次諧波用作OPO的抽運(yùn)光.信號(hào)光用來(lái)測(cè)量OPO的參量增益,優(yōu)化晶體的控溫.為了避免激光強(qiáng)度噪聲在腔內(nèi)耦合對(duì)壓縮度的影響,信號(hào)光并不實(shí)際參與OPO.實(shí)驗(yàn)中會(huì)擋掉信號(hào)光,而采用真空注入的系統(tǒng)來(lái)產(chǎn)生壓縮真空.同樣,垂直偏振的OPO腔長(zhǎng)鎖定光也避免了注入光場(chǎng)噪聲的耦合.鎖腔光在腔內(nèi)反向傳播,但在晶體端面的反射會(huì)導(dǎo)致正向傳播注入光場(chǎng)的出現(xiàn),而垂直偏振的光并不會(huì)參與OPO過(guò)程,從而避免了鎖腔光噪聲的引入.LO光經(jīng)過(guò)MC進(jìn)行模式過(guò)濾,可以改善與壓縮光空間模式的匹配度,從而提高了平衡零拍探測(cè)系統(tǒng)的干涉可見(jiàn)度.

圖2 795 nm低頻壓縮光制備實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2.Experimental setup for preparation of the low-frequency squeezing at 795 nm.

通過(guò)掃描LO場(chǎng)與OPO產(chǎn)生的壓縮真空的相對(duì)位相,得到如圖3所示的壓縮譜,圖3(a)和圖3(b)分別為分析頻率2 MHz和50 kHz得到的結(jié)果.對(duì)于2 MHz的分析頻率,設(shè)置譜儀分辨帶寬(RBW)100 kHz,視頻帶寬(VBW)30 Hz,得到了?5.6 dB的壓縮與+7.0 dB的反壓縮.對(duì)于50 kHz的分析頻率,設(shè)置RBW為10 kHz,VBW為30 Hz,測(cè)得了?2.3 dB的壓縮與+6.6 dB的反壓縮.但該頻率處的噪聲譜有明顯的抖動(dòng),且壓縮度低于高頻段.由于低頻段噪聲的耦合,很難保證每次均掃描到壓縮或反壓縮的位相,因此后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中將鎖定LO光與壓縮光的相對(duì)位相,從而得到穩(wěn)定輸出的壓縮光.

圖3 掃描LO光與壓縮真空的相對(duì)位相時(shí)得到的壓縮譜(a),(b)分別為分析頻率為2 MHz和50 kHz的結(jié)果Fig.3.Squeezing traces with the scanning of the relative phase between LO and the vacuum squeezing,the analysis frequencies are 2 MHz for(a)and 50 kHz for(b),respectively.

實(shí)驗(yàn)上經(jīng)OPO產(chǎn)生壓縮真空態(tài)光場(chǎng),其平均光子數(shù)很小.通常鎖定壓縮光與LO光相對(duì)位相可以利用兩者的干涉條紋,但壓縮真空與LO光的平均光子數(shù)相差較大,兩者的干涉對(duì)比度較差,用此干涉信號(hào)不足以鎖定兩者的相對(duì)位相.采用量子噪聲鎖定的方法[22],利用頻譜分析儀(SA)對(duì)信號(hào)的處理功能提取掃描狀態(tài)的壓縮譜,并利用鎖相放大器對(duì)其調(diào)制解調(diào)以得到誤差信號(hào),從而鎖定壓縮真空與LO場(chǎng)的相對(duì)位相.掃描的壓縮譜噪聲信號(hào)經(jīng)SA進(jìn)行濾波和包絡(luò)檢波,設(shè)置SA(Agilent E4405B)中心頻率2 MHz,RBW為300 kHz,VBW為30 kHz,掃描時(shí)間1 s,其輸出信號(hào)經(jīng)調(diào)制解調(diào)可得到誤差信號(hào).誤差信號(hào)經(jīng)比例積分電路后加到LO場(chǎng)的壓電陶瓷上,用來(lái)鎖定LO場(chǎng)與壓縮真空的相對(duì)位相.之后用另一臺(tái)低頻SA(Agilent 4396B)對(duì)頻域上的壓縮譜進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果如圖4所示.

圖4 利用量子噪聲鎖定技術(shù)后得到的壓縮譜 分析頻率1—100 kHz;RBW 100 Hz;VBW 10 Hz,在2.6—100 kHz的分析頻率范圍內(nèi)得到了?2.8 dB的壓縮,其中電子學(xué)噪聲已經(jīng)被扣除Fig.4.Noise spectra with the quantum noise locking method.Analysis frequency,1–100 kHz;RBW,100 Hz;VBW,10 Hz,squeezing level of?2.8 dB is obtained at 2.6–100 kHz.Electronic noise has been subtracted.

利用量子噪聲鎖定可以得到壓縮真空與LO光確定的相對(duì)位相,分別鎖定壓縮與反壓縮的位相,得到了如圖4所示的噪聲譜,其中的(i),(ii),(iii)分別為反壓縮、散粒噪聲基準(zhǔn)和壓縮情況的噪聲譜,其中電子學(xué)噪聲已經(jīng)扣除.設(shè)置SA分析頻率1—100 kHz,RBW為100 Hz,VBW為10 Hz,進(jìn)行16次平均,其中測(cè)得壓縮的最低頻率為2.6 kHz,在整個(gè)壓縮頻帶內(nèi)壓縮度約為?2.8 dB.由此可見(jiàn),本文的OPO系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性,可滿(mǎn)足后續(xù)實(shí)驗(yàn)的需求.

實(shí)驗(yàn)中使用的自制的平衡零拍探測(cè)器在低頻段具有非常好的性能,在1—100 kHz的分析頻段內(nèi)散粒噪聲基準(zhǔn)高于電子學(xué)噪聲16 dB以上,共模抑制比約45 dB,所使用的光電二極管量子效率高達(dá)95%,這可以在很大程度上減小壓縮測(cè)量過(guò)程中的損耗;商用的平衡探測(cè)器(ThorLabs,Model:PDB450 A-AC)具有高的響應(yīng)帶寬,其在百kHz的頻段具有較高的增益因子,在1—100 kHz的分析頻段具有高于電子學(xué)噪聲約17 dB的散粒噪聲,共模抑制比大于40 dB,但其最大的缺點(diǎn)是量子效率較低(在795 nm典型的量子效率為85%).圖5為兩個(gè)探測(cè)器各自的散粒噪聲基準(zhǔn)(i)和電子學(xué)噪聲(ii)(激光波長(zhǎng)為795 nm,功率為2 mW),圖5(a)為自制平衡零拍探測(cè)器的結(jié)果,圖5(b)為T(mén)horLabs公司的商用平衡探測(cè)器的結(jié)果.除幾個(gè)特殊頻率點(diǎn)的尖峰外,兩者均有比較平坦的噪聲背景.圖5(a)中散粒噪聲為實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量結(jié)果,背景上的個(gè)別噪聲尖峰包括位相鎖定中的鎖相放大器的調(diào)制信號(hào)、壓電陶瓷共振信號(hào)以及光場(chǎng)和電路中的額外噪聲等.雖然激光器在該頻段有較大的經(jīng)典噪聲,通過(guò)高共模抑制比的平衡探測(cè)器可以有效地將其減掉,得到的差信號(hào)即可認(rèn)為是散粒噪聲.

圖5 使˙用(a)自制平衡零拍探測(cè)器和(b)ThorLabs公司商用平衡探測(cè)器測(cè)量的噪聲曲線(xiàn),圖中黑線(xiàn)為探測(cè)器電子學(xué)噪聲;紅線(xiàn)為對(duì)應(yīng)于2 mW的795 nm激光功率的散粒噪聲水平Fig.5.Noise spectra of the homemade homodyne detector(a)and the commercial balanced detector from ThorLabs,Inc.(b).The black lines are the electronic noise of detectors,and the red lines are the shot noise level at 2 mW of 795 nm laser power.

以上實(shí)驗(yàn)成功地制備了795 nm的低頻壓縮光.借助無(wú)額外光注入的OPO系統(tǒng)(即所謂的真空?qǐng)鲎⑷肭樾?,并使用量子噪聲鎖定的方法在2.6—100 kHz分析頻段得到了?2.8 dB的低頻壓縮.為獲得低頻段的壓縮光,主要采取了以下措施:利用垂直偏振的鎖定光避免了部分激光強(qiáng)度噪聲的耦合;搭建了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的四鏡環(huán)形腔并使用有機(jī)玻璃罩隔絕外界空氣流動(dòng)的干擾;使用高穩(wěn)定鏡架提高了系統(tǒng)整體的機(jī)械穩(wěn)定性;低噪聲、高共模抑制比的低分析頻率平衡零拍探測(cè)器保證了對(duì)低頻信號(hào)的探測(cè);最后,量子噪聲鎖定的方法用于鎖定LO場(chǎng)與壓縮真空的相對(duì)位相,得到穩(wěn)定輸出的壓縮光.OPO作為一種通用的制備壓縮態(tài)光場(chǎng)的方案,利用非線(xiàn)性晶體的參量作用實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)量子噪聲的降低.基于該方案,選擇合適的非線(xiàn)性晶體以及合理的腔參數(shù)設(shè)計(jì),理論上可以得到任意波長(zhǎng)的壓縮光.對(duì)于壓縮光的制備,需要有效非線(xiàn)性系數(shù)大的晶體來(lái)對(duì)抗系統(tǒng)中的線(xiàn)性損耗,以實(shí)現(xiàn)更高的壓縮度,PPKTP晶體是一種非常有效的非線(xiàn)性晶體.系統(tǒng)對(duì)于不同波長(zhǎng)激光的區(qū)別主要在于晶體在不同波長(zhǎng)處的損耗,而這是OPO最重要的影響因素.1064 nm和795 nm對(duì)晶體不同的吸收造成了其在壓縮度和壓縮頻帶的差別.目前所使用的PPKTP晶體限制了795 nm激光壓縮態(tài)的制備,期待新的高非線(xiàn)性系數(shù)晶體的誕生,減弱對(duì)短波長(zhǎng)激光的吸收,降低損耗,從而擴(kuò)展壓縮波段.

4 總 結(jié)

分析了由激光波長(zhǎng)引起OPO內(nèi)腔損耗的不同對(duì)壓縮度的影響.相比長(zhǎng)波段1064 nm,限制795 nm壓縮的因素主要來(lái)自其在非線(xiàn)性晶體PPKTP的吸收,特別是OPO中397.5 nm紫外抽運(yùn)光所誘導(dǎo)的795 nm紅外吸收,引入了額外損耗;同時(shí),吸收引起的熱效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致OPO腔的熱不穩(wěn)定性,影響鎖腔的精度,這些因素共同限制了短波長(zhǎng)激光可以得到的壓縮度.本文的實(shí)驗(yàn)采取了一系列措施控制低分析頻率的噪聲源,優(yōu)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),得到了聲頻段的壓縮.利用無(wú)信號(hào)光注入的OPO產(chǎn)生壓縮真空,利用垂直偏振的基頻光鎖定腔長(zhǎng),并使用量子噪聲鎖定的方法鎖定壓縮位相.通過(guò)高穩(wěn)定度的OPO腔,低噪聲的平衡零拍探測(cè)器以及高穩(wěn)定度的鏡架等,最終在低至2.6—100 kHz的分析頻率處得到?2.8 dB的795 nm波長(zhǎng)真空壓縮.系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性,滿(mǎn)足長(zhǎng)時(shí)間工作的要求.我們將把該壓縮光用于磁場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng),填補(bǔ)探測(cè)光的真空通道,提高磁場(chǎng)探測(cè)的靈敏度.目前壓縮光的產(chǎn)生系統(tǒng)仍然比較龐大,用于磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)尚處于探索階段,距離實(shí)際應(yīng)用還有一定的差距.隨著技術(shù)的成熟,小型化、高集成化的壓縮器將會(huì)在精密測(cè)量領(lǐng)域發(fā)揮顯著作用.

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