[发明专利]一种基于光学参量下转换的全光纤明亮压缩态光源

说明书

本发明提出了一种基于光学参量下转换的全光纤明亮压缩态光源，激光器用于线偏振地输出单频激光光束；隔离器用于防止后续光路中的器件反射的激光光束返回到激光器中；比例分束器用于将从隔离器输出的单频激光分为两路，一路光进入倍频介质，用于产生泵浦光，一路光进入光学参量下转换谐振腔，作为产生明亮压缩态光源的种子信号光；波分复用器，用于将基频光和泵浦光进行分束；相位调制器一，用于调控被波分复用器分束出来的泵浦光的相位，控制泵浦光与种子信号光的相对位相差；合束器，用于将相位调制器一调制后输出的泵浦光与经比例分束器分束的种子信号光合束；光学参量下转换谐振腔，用于产生明亮压缩态的激光输出。

技术领域

本申请涉及量子光学和量子信息技术领域，尤其涉及一种基于光学参量下转换的全光纤明亮压缩态光源。

背景技术

随着科学技术的发展，无论是日常生产还是科学研究中，人们对于测量精度的要求越来越高。但是在经典光场中，即使是理想的相干态光源，也至少包含量子噪声，所以无论器件的工艺水平如何优化，测量系统都存在一个散粒噪声极限问题。而压缩态光源，可以在不违背海森堡不确定原理的基础上，重新分配正交分量的噪声功率，使其中一个正交分量的噪声功率远低于散粒噪声极限。当使用这个正交分量进行测量时，就可以突破量子噪声极限，获得更高的探测灵敏度。例如，在2010年德国将9dB的真空压缩态光源注入到GEO600引力波探测器的暗端，将探测器的灵敏度提高了约6dB。压缩态光源分为真空压缩态和明亮压缩态两种，真空压缩态是作用于真空上，而明亮压缩态则是作用于有一定光子数的相干态上，因此明亮压缩态光源相对于真空压缩态功率更高，应用更加广泛，如量子雷达、量子成像、量子信息和量子计算等领域。

目前，制备明亮压缩态光源最为成熟有效的方法是，在自由空间中利用二阶非线性介质的光学参量下转换过程获得。2017年，山西大学利用周期性极化磷酸钛氧钾(PPKTP)获得了12.6dB的1064nm明亮压缩态输出。但这类压缩态光场产生系统结构复杂、抗干扰能力差，导致其对外界的温度、震动以及气流等环境因素十分敏感，使其难以在实验室之外的环境中开展应用。为了解决自由空间压缩光源，复杂的系统和对外界环境的敏感性，2019年，华南理工大学提出了一种基于四波混频的全光纤的连续压缩态光场产生装置。但是四波混频过程利用的是非线性介质的三阶非线性系数，目前非线性介质的三阶非线性系数一般远低于二阶非线性系数，因此利用四波混频的方式获得压缩光源的输出，非线性转换效率和压缩度都比较低。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于光学参量下转换的全光纤明亮压缩态光源，包括：

激光器，用于线偏振地输出单频激光光束；

隔离器，连接在所述激光器的输出端，用于防止后续光路中的器件反射的激光光束返回到激光器中；

比例分束器，连接在所述隔离器的输出端，用于将从隔离器输出的单频激光分为两路，功率较大的一路光进入倍频介质，用于产生泵浦光，功率较小的一路光，进入光学参量下转换谐振腔，作为产生明亮压缩态光源的种子信号光；

波分复用器，连接在倍频介质的输出端，用于将基频光和泵浦光进行分束；

相位调制器一，用于调控被波分复用器分束出来的泵浦光的相位，控制泵浦光与种子信号光的相对位相差；

合束器，用于将相位调制器一调制后输出的泵浦光与经比例分束器分束的种子信号光合束；

光学参量下转换谐振腔，用于产生明亮压缩态的激光输出，包括：入射光栅一、出射光栅二、相位调制器二以及光学参量下转换介质；所述入射光栅一对泵浦光具有高透过率，对种子信号光具有高反射率，所述出射光栅二对泵浦光具有高反射率，对种子信号光具有低透过率，通过检测被入射光栅一反射的种子信号光的功率，获取误差信号，实时控制相位调制器二，控制种子信号光的相位；光学参量下转换介质用于发生光学参量下转换过程，实现压缩光的输出。