[发明专利]多波长激光相位噪声消除和频率稳定的装置和方法

说明书

多波长激光相位噪声消除和频率稳定的装置和方法。本发明公开了一种同时实现两个不同波长激光的高频相位噪声抑制和保证频率长期稳定的装置，腔长稳定系统将可调谐法布里珀罗腔稳定到主激光器上，第一激光器频率稳定系统将第一激光器锁定到可调谐法布里珀罗腔上，第二激光器频率稳定系统将第二激光器锁定到可调谐法布里珀罗腔上，第一法布里珀罗腔透射光和第二法布里珀罗腔透射光输入到注入锁定系统进行功率放大。本发明还公开了一种同时实现两个不同波长激光的高频相位噪声抑制和保证频率长期稳定的装方法，通过将法布里珀罗腔锁定到一个频率漂移极小的主激光器上来减小由于外界环境温度变化以及腔体吸收引起的法布里珀罗腔的腔长变化，达到对于激光频率长期稳定的效果。

技术领域

本发明涉及高性能激光器噪声抑制领域，更具体涉及多波长激光相位噪声消除和频率稳定的方法，还涉及多波长激光相位噪声消除和频率稳定的装置。适用于基于中性原子的量子计算与量子模拟领域，主要用于中性原子的里德堡态激发。

技术背景

基于原子里德堡态的偶极-偶极相互作用的量子计算和量子模拟近年来得到迅速发展，其中实现原子在基态和里德堡态间的高保真度的相干激发是保证实验精度的关键核心技术。近期是实验结果表明：激光相位噪声会引起原子在基态和里德堡态间拉比振荡的严重退相，导致实验精度的下降。因此，抑制激光相位噪声是实现中性原子量子计算以及进行里德堡原子量子模拟时上必须要解决的问题。此外，激光相位噪声的抑制在离子阱、原子钟以及原子干涉仪等领域同样受到关注。

针对本发明应用背景的已有相关文章的技术方案如下：

目前，消除激光相位噪声的主流手段是将一个法布里珀罗腔同时作为频率参考用来锁定激光频率同时当作一个滤波器，这种方法已经在很多领域中得以实现。在原子干涉仪领域，研究者通过一个精细度为160000的法布里珀罗腔将激光偏离载频1MH附近的相位噪声压制了大约30dB，且实验结果收到光电探测器本低噪声和频谱分析仪精度的影响，因此实际上相位噪声已经被压制到了更低的水平 (Low-frequency-noise diode laser foratom interferometry，JOSA-B，25卷，10期， 1630到1632页，2008年)。在囚禁离子量子计算领域，研究者利用精细度为10000 的法布里珀罗腔(FP腔)将激光偏离载频1MHz处的相位噪声压制了约30dB (Universal gate-set for trapped-ion qubits using a narrowlinewidth diode laser，New Journal of Physics，17卷，11期，113060页，2015年)。实际上，已经由研究小组将激光的相位噪声降低到散粒噪声极限，研究者是通过将一束激光两次通过精细度为87000的法布里珀罗腔，将激光偏离载频1MHz处附近的相位噪声降低了约85dB(Efficient suppression of diode-laser phase noise by optical filtering，JOSA B， 22卷，11期，2338-2344页，2005年)。以上的实验都已经显示了该方法的有效性，然而由于实际中进入腔的激光的模式不完全匹配以及腔镜对于激光的吸收，通常腔的出射光功率通常很低。因此研究者们在使用超腔过滤激光相位噪声时，通常会同时将腔的透过光通过注入锁定技术放大激光功率，同时能够保证激光的频谱与腔的透过光一样。注入锁定的稳定性要求注入光的功率必须大于某个阈值，即要求了超腔的入射光必须足够强。当法布里珀罗腔的细度很高，且入射功率较大时，腔镜对于激光的吸收引起的热效应导致的腔长变化变得不可忽略，这种现象已经在其他实验中观察到了，例如在前面所述的离子阱中当研究者用细度 10000的腔去过滤激光相位噪声时并注入锁定时，腔共振频率的漂移到了惊人的 2kHz/min(Universal gate-set for trapped-ion qubits using a narrowlinewidth diode laser，New Journal of Physics，17卷，11期，113060页，2015年)，从而引起锁定在腔上的激光的频率漂移，严重影响实验结果的可重复性。因此，如何同时保证低相位噪声和较小的腔长长期漂移是我们追求的目标，目前尚无文献和产品公开同时满足这些需求的实验装置和方法。