楊文海 刁文婷 蔡春曉 宋學(xué)瑞 馮付攀 鄭耀輝 段崇棣

1)(中國空間技術(shù)研究院西安分院,西安 710100)

2)(量子光學(xué)與光量子器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,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

量子精密測量是繼激光精密測量之后興起的一項顛覆性技術(shù),傳統(tǒng)的激光精密測量技術(shù)利用激光的相干性實(shí)現(xiàn)目標(biāo)相位信息的高精度采集,實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)信息的高精度重構(gòu);該技術(shù)具有非接觸性和高靈敏度的特性,已經(jīng)在科學(xué)研究、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)生產(chǎn)、空間技術(shù)和國防技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用[1-7].隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展,基于相干態(tài)光場的經(jīng)典測量已不能滿足人們對測量精度的要求.為了突破散粒噪聲基準(zhǔn)(shot noise limit,SNL)進(jìn)一步提升測量精度,量子技術(shù)成為人們研究的焦點(diǎn).而壓縮態(tài)光場作為一種潛在應(yīng)用十分廣泛的非經(jīng)典光場,可用于量子信息、量子成像和精密測量等諸多領(lǐng)域,所以性能優(yōu)良的壓縮態(tài)光場是提升量子態(tài)保真度和測量靈敏度的必要條件.而制備性能優(yōu)良的壓縮態(tài)光場的一個基本前提就是需要一款性能優(yōu)良的激光光源.

近年隨著技術(shù)和工藝不斷進(jìn)步,半導(dǎo)體激光二極管(laser diode,LD)抽運(yùn)的全固態(tài)激光系統(tǒng)體積更小、功率更高,可長期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)且相對強(qiáng)度噪聲(relative intensity noise,RIN)可在1.5 MHz之后達(dá)到SNL[8-10].這期間LD抽運(yùn)的單頻光纖激光器同樣也發(fā)展的更加成熟和穩(wěn)定[11].激光光源的不斷完善解決了基于激光器的各種光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)用化問題,如激光雷達(dá)、激光通信以及用于探測引力波的激光干涉儀等.隨著量子技術(shù)的發(fā)展,激光器作為制備非經(jīng)典光場的光源,成為制備高品質(zhì)非經(jīng)典光場的關(guān)鍵,其強(qiáng)度噪聲特性與非經(jīng)典光場的噪聲水平直接相關(guān)[12-14].如在壓縮真空態(tài)光場的測量中,激光器的RIN會通過本底光耦合到平衡零拍探測過程進(jìn)而影響測量精度.

本文從全固態(tài)單頻固體激光器和單頻光纖激光器的強(qiáng)度噪聲特性出發(fā),對比研究了這兩種單頻激光器作為非經(jīng)典光場實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生系統(tǒng)的光源,在制備得到壓縮真空態(tài)光場后使用平衡零拍探測系統(tǒng)測量壓縮真空態(tài)光場噪聲水平時,本底光的RIN對壓縮度測量精度的影響,進(jìn)而為研制高壓縮度壓縮真空態(tài)光源和優(yōu)化平衡零拍探測系統(tǒng)的性能提供了新的思路.

2 實(shí)驗(yàn)分析

圖1所示為制備壓縮態(tài)光場的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的光源部分由一臺1064 nm單頻激光器構(gòu)成.分別采用山西大學(xué)研制的單頻Nd：YVO4固體激光器和華南理工大學(xué)研制的摻Y(jié)b磷酸鹽單頻光纖激光器作為光源進(jìn)行對比研究[4].本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用外腔倍頻的方式獲得532 nm激光,用于抽運(yùn)光學(xué)參量振蕩器產(chǎn)生壓縮真空態(tài)光場.故該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心部分為倍頻腔和光學(xué)參量振蕩腔.然后是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的探測部分由測量壓縮真空態(tài)光場壓縮度的平衡零拍探測裝置和測量本底光RIN的自零拍探測裝置組成,用于探測壓縮真空態(tài)光場的噪聲水平和本底光的RIN.此外還在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各部分光路中插入了多個模式清潔器(mode clear,MC),用于優(yōu)化系統(tǒng)各處光束的空間模式分布和濾除激光攜帶的經(jīng)典技術(shù)噪聲.MC的詳細(xì)參數(shù)如下：腔長為430 mm,兩個平面鏡45°入射透射率均為1%@1064 nm/532 nm,凹面鏡0°入射反射率為99.95%@1064 nm/532 nm,曲率半徑為1000 mm.為了保證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn),改進(jìn)了光學(xué)諧振腔和移相器的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及電光相位調(diào)制器和探測器的電學(xué)性能[15,16],而且還根據(jù)鎖定環(huán)路的傳遞函數(shù)針對性地優(yōu)化了邊帶鎖頻環(huán)路的各項參數(shù),保證了諧振腔腔長和光場相對相位的穩(wěn)定,為獲得高壓縮度的壓縮態(tài)光場奠定了基礎(chǔ).

圖1 本底光RIN測量裝置和壓縮態(tài)光場產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(SHG,倍頻;EOM,電光調(diào)制器;PZT,鋯鈦酸鉛壓電陶瓷;BHD,平衡零拍探測器;DBS,分束鏡;OPA,光參量放大器;LO beam,本底光;SA,頻譜儀)Fig.1.Schematic of the experimental setup for measuring the local oscillator intensity noise and generating the squeezed state(SHG,second-harmonic generation;EOM,electro-optic modulator;PZT,piezoelectric ceramic transducer;BHD,balanced homodyne detector;DBS,dichroic beam splitter;OPA,optical parametric amplifier;LO,local oscillator;SA,spectrum analyzer).

為了分析激光器的RIN對實(shí)驗(yàn)測量壓縮真空態(tài)光場壓縮度的影響,需要測量單頻固體激光器和單頻光纖激光器作為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)光源時本底光的RIN(測量光功率1 mW),圖2和圖3所示為對本底光RIN的測量結(jié)果.圖2為采用光纖激光器為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)光源時,對應(yīng)的本底光的RIN在分析頻率1 MHz處高出SNL約30 dB,此處恰好對應(yīng)單頻光纖激光器的弛豫振蕩峰.圖3為采用單頻固體激光器為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)光源時,對應(yīng)的本底光的RIN在分析頻率1 MHz處高出SNL約2.3 dB.以上測量所用儀器為羅德斯瓦茨FSW公司的Signal ＆ Spectrum Analyzer·2 Hz to 13 GHz 頻譜儀.對比以上兩種本底光的RIN數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)單頻固體激光器輸出的激光經(jīng)MC濾除一部分噪聲后本底光的RIN在分析頻率1 MHz處遠(yuǎn)低于單頻光纖激光器輸出的激光經(jīng)MC濾除噪聲后本底光的RIN.

圖2 單頻光纖激光器經(jīng)MC濾除一部分RIN和相位噪聲后對應(yīng)的本底光RINFig.2.RIN of local oscillator with single-frequency Yb3+-doped phosphate fiber laser after MC.

圖3 單頻固體激光器經(jīng)MC濾除一部分RIN和相位噪聲后對應(yīng)的本底光RINFig.3.RIN of local oscillator with single-frequency Nd：YVO4laser after MC.

圖4是采用山西大學(xué)研制的單頻Nd：YVO4固體激光器作為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的光源時,直接測量到的壓縮真空態(tài)光場的最大壓縮度,圖5是采用華南理工大學(xué)研制的摻Y(jié)b磷酸鹽單頻光纖激光器作為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的光源時,直接測量到的壓縮真空態(tài)光場的最大壓縮度.

采用山西大學(xué)研制的單頻Nd：YVO4固體激光器作為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的光源,在抽運(yùn)功率為180 mW時(實(shí)測參量振蕩器的閾值為200 mW),直接探測到的壓縮真空態(tài)光場的壓縮度最大為(13.2 ±0.2)dB,反壓縮為(24.7 ± 0.2)dB;采用華南理工大學(xué)研制的摻Y(jié)b磷酸鹽單頻光纖激光器作為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的光源,在抽運(yùn)功率為140 mW時(實(shí)測參量振蕩器的閾值為200 mW),直接探測到的壓縮真空態(tài)光場的壓縮度最大為(10 ± 0.2)dB,反壓縮為(19 ± 0.2)dB.以上測量所用儀器為羅德斯瓦茨公司的 Signal ＆ Spectrum Analyzer·2 Hz to 13 GHz頻譜儀.由于單頻光纖激光器的相位噪聲較大,繼續(xù)增加抽運(yùn)光功率會使相位噪聲耦合到壓縮分量中從而導(dǎo)致壓縮度降低,所以兩種激光器作為系統(tǒng)光源時在不同的抽運(yùn)光功率時壓縮度達(dá)到最大值,使得所測反壓縮度相差5.7 dB.此外圖5中反壓縮曲線頂端比較平緩即為相位噪聲大所致.根據(jù)參考文獻(xiàn)[17]參量振蕩器產(chǎn)生壓縮真空態(tài)的理論公式和參量振蕩器參數(shù)可知,在抽運(yùn)光功率為140 mW時,理論上可直接探測到的壓縮度為(12.6 ± 0.2)dB,實(shí)際卻只探測到了(10 ± 0.2)dB.推測產(chǎn)生以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原因是單頻固體激光器和單頻光纖激光器的RIN值相差懸殊,致使平衡零拍探測系統(tǒng)在測量壓縮真空態(tài)光場的噪聲水平時產(chǎn)生了較大的測量誤差.下面對以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行理論分析和驗(yàn)證.

圖4 單頻固體激光器制備的壓縮真空態(tài)光場的噪聲譜,分析頻率1 MHz (分辨帶寬RBW=300 kHz,視頻帶寬VBW=200 Hz)Fig.4.Balance homodyne measurements of the quadrature noise variances at a Fourier frequency of 1 MHz,with a resolution bandwidthRBWof 300 kHz and a video bandwidthVBWof 200 Hz.

圖5 單頻光纖激光器制備的真空壓縮態(tài)光場的噪聲譜,分析頻率1 MHz (RBW=300 kHz,VBW=200 Hz)Fig.5.Balance homodyne measurements of the quadrature noise variances at a Fourier frequency of 1 MHz,with a RBWof 300 kHz and aNBWof 200 Hz.

3 理論分析

在以LD作為抽運(yùn)源的全固態(tài)單頻激光器系統(tǒng)中,抽運(yùn)光的強(qiáng)度噪聲、激光上能級自發(fā)輻射噪聲、偶極起伏噪聲、腔內(nèi)損耗和輸出耦合鏡等均會將經(jīng)典技術(shù)噪聲和真空起伏噪聲引入激光器中,導(dǎo)致激光器輸出的激光的RIN在低頻段遠(yuǎn)大于SNL,一般在幾兆赫茲處才能達(dá)到SNL.20世紀(jì)80年代發(fā)展的傳遞函數(shù)理論,通過解量子朗之萬方程求出了各種噪聲源對激光器RIN的影響[18].此外,抽運(yùn)功率不穩(wěn)定、環(huán)境溫度變化和機(jī)械振動均會引起輸出激光功率的隨機(jī)波動產(chǎn)生強(qiáng)度噪聲.由于固體激光器和光纖激光器的諧振腔結(jié)構(gòu)以及增益介質(zhì)工作機(jī)制不同,導(dǎo)致其RIN會有較大差異.

圖2和圖3證實(shí)了本文實(shí)驗(yàn)使用的單頻光纖激光器的RIN遠(yuǎn)大于單頻固體激光器的RIN.根據(jù)參考文獻(xiàn)[12]可知,影響平衡零拍探測系統(tǒng)測量誤差的兩個主要因素是激光的RIN和平衡零拍探測器的共模抑制比(common mode rejection ratio,CMRR).由于本實(shí)驗(yàn)采用成型的商用平衡零拍探測器,其CMRR已經(jīng)確定,所以本文主要研究激光器的RIN對平衡零拍探測系統(tǒng)測量精度的影響.

在平衡零拍探測系統(tǒng)測量壓縮真空態(tài)光場的壓縮度時,本底光的RIN引入的測量誤差可以由下式表示[19]：

當(dāng)本底光的RIN高于SNL時,壓縮度的測量值與實(shí)際值之間就會產(chǎn)生偏差.這個偏差值E的大小由平衡零拍探測器的CMRR和本底光的RIN共同決定.

本文探測壓縮真空態(tài)光場使用的是山西大學(xué)光電研究所研制的帶有差分微調(diào)電路和可調(diào)偏壓的高共模抑制比平衡零拍探測器,其共模抑制比在分析頻率1 MHz附近最高可達(dá)75.2 dB[20],本實(shí)驗(yàn)所用的平衡零拍探測器為同款商用產(chǎn)品,電子元件和電路參數(shù)沒有經(jīng)過嚴(yán)格篩選和反復(fù)優(yōu)化,其CMRR約為37.5 dB.根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以計算出采用華南理工大學(xué)研制的摻Y(jié)b磷酸鹽單頻光纖激光器作為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的光源時,直接探測到的壓縮真空態(tài)光場的壓縮度的測量誤差約2.6 dB,采用山西大學(xué)研制的單頻Nd：YVO4固體激光器作為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的光源時,直接探測到的壓縮真空態(tài)光場的壓縮度的測量誤差約0.006 dB.從計算結(jié)果可知,本底光的RIN較大時對平衡零拍探測系統(tǒng)的測量精度影響很大.

4 結(jié) 論

單頻固體激光器的RIN在分析頻率1 MHz之后均低于單頻光纖激光器,且從1.5 MHz之后就下降到了SNL,這是由于山西大學(xué)研制的單頻Nd：YVO4固體激光器的光學(xué)諧振腔的機(jī)械結(jié)構(gòu)是由一整塊高強(qiáng)度的航空鋁在數(shù)控機(jī)床上一次加工而成,然后經(jīng)過熱處理技術(shù)進(jìn)行時效硬化并釋放機(jī)械應(yīng)力,使得單頻固體激光器的光學(xué)諧振腔的機(jī)械穩(wěn)定性明顯優(yōu)于單頻光纖激光器由光纖和光柵構(gòu)成的光學(xué)諧振腔的機(jī)械穩(wěn)定性.這就使得環(huán)境溫度變化和周圍各種振動噪聲對單頻固體激光器光學(xué)諧振腔的影響遠(yuǎn)小于對單頻光纖激光器光學(xué)諧振腔的影響;此外單頻固體激光器諧振腔內(nèi)只有激光晶體和光學(xué)單向器引入的光學(xué)損耗,而單頻光纖激光器諧振腔內(nèi)的增益光纖和光柵以及后續(xù)的放大過程均會引入光學(xué)損耗,導(dǎo)致在1 MHz附近的中頻段具有較強(qiáng)的弛豫振蕩峰,所以單頻固體激光器的RIN明顯低于單頻光纖激光器.

實(shí)驗(yàn)測得單頻光纖激光器和單頻固體激光器的RIN在分析頻率1 MHz處分別高于SNL約30 dB和2.3 dB,導(dǎo)致兩種激光器作為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的光源時,探測到的壓縮真空態(tài)光場的最大壓縮度分別為(13.2 ± 0.2)dB和(10 ± 0.2)dB.此外由于單頻光纖激光器的相位噪聲較大在制備壓縮真空態(tài)光場時所用抽運(yùn)光功率比單頻固體激光器低了40 mW,因此產(chǎn)生的壓縮度也會低0.6 dB.根據(jù)上述理論計算結(jié)果可知單頻光纖激光器的RIN導(dǎo)致的壓縮度測量誤差約2.6 dB;單頻固體激光器的RIN導(dǎo)致的壓縮度測量誤差約0.006 dB可忽略不計.綜上所述,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計算結(jié)果基本吻合,證實(shí)了單頻光纖激光器較大的RIN是影響本實(shí)驗(yàn)平衡零拍探測系統(tǒng)測量精度的主要因素.所以降低單頻光纖激光器的RIN是其應(yīng)用于非經(jīng)典光場制備之前要解決的關(guān)鍵問題之一.