一種鎖定兩束同頻率激光到任意位相的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種鎖定兩束同頻率激光到任意位相的方法，此方法包括以下步驟：選定一束激光作為輔助光束，利用光學(xué)分束器將輔助光束分為兩束：第一輔助光束和第二輔助光束；將第一被鎖定光束與第一輔助光束的相對(duì)相位穩(wěn)定到固定值；穩(wěn)定第二被鎖定光束與第二輔助光束的相對(duì)相位，通過(guò)改變第二解調(diào)信號(hào)源的相位，可以將第二被鎖定光束與第二輔助光束之間的相對(duì)相位穩(wěn)定到任意值。第一被鎖定光束與第二被鎖定光束之間的相對(duì)相位隨第二被鎖定光束與第二輔助光束之間的相對(duì)位相改變，從而實(shí)現(xiàn)第一被鎖定光束與第二被鎖定光束之間的相對(duì)相位到任意相位。該方法裝置簡(jiǎn)單，操作方便，實(shí)用性強(qiáng)，可以鎖定兩束同頻率激光到任意位相。
【專利說(shuō)明】一種鎖定兩束同頻率激光到任意位相的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種鎖定兩束同頻率激光到任意相位的方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002] 壓縮態(tài)光場(chǎng)是一種非常重要的非經(jīng)典光場(chǎng)，可以應(yīng)用于引力波的探測(cè)、光學(xué)精密 測(cè)量、糾纏態(tài)光場(chǎng)的產(chǎn)生、量子通訊等研究領(lǐng)域。尤其在量子通訊方面，兩個(gè)單模壓縮態(tài)光 場(chǎng)或者一個(gè)雙模壓縮態(tài)光場(chǎng)可用來(lái)產(chǎn)生糾纏光，糾纏光作為量子信息的基礎(chǔ)和核心，可以 完成量子糾纏交換、超微弱信息的量子傳輸、量子保密通信、量子密集編碼和量子離物傳態(tài) 等量子通信領(lǐng)域的重要原理性實(shí)驗(yàn)。
[0003] 平衡零拍探測(cè)系統(tǒng)是量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)中非常重要的測(cè)量裝置，可以用于測(cè)量壓縮態(tài) 光場(chǎng)和糾纏態(tài)光場(chǎng)的正交分量量子起伏。該系統(tǒng)由一個(gè)50/50光學(xué)分束器、兩個(gè)高量子效 率光電探測(cè)器和一個(gè)電子信號(hào)減法器構(gòu)成。將一束功率遠(yuǎn)大于待測(cè)光場(chǎng)的本底振蕩光與 待測(cè)光場(chǎng)在50/50光學(xué)分束器上進(jìn)行相干耦合，兩個(gè)探測(cè)器分別探測(cè)分束器兩臂上的出射 光，探測(cè)器測(cè)量得到的結(jié)果通過(guò)減法器相減，其輸出信號(hào)正比于待測(cè)光場(chǎng)的正交分量量子 起伏，其測(cè)量結(jié)果與本底光和待測(cè)光場(chǎng)的相對(duì)位相有著密切的關(guān)系。通過(guò)鎖定兩束光學(xué)場(chǎng) 之間的相對(duì)位相，即可測(cè)量信號(hào)光場(chǎng)的正交振幅或正交位相噪聲。當(dāng)本底光與待測(cè)光場(chǎng)的 位相差鎖定到零時(shí)，可測(cè)量信號(hào)光場(chǎng)的正交振幅分量噪聲；當(dāng)本底光與待測(cè)光場(chǎng)的位相差 鎖定到n/2時(shí)，可測(cè)量信號(hào)光場(chǎng)的正交位相分量噪聲。在糾纏光產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)中，需要將兩 束壓縮光的相位鎖定在η/2相位，獲得糾纏光輸出。上述幾種特殊相對(duì)相位的鎖定比較容 易。
[0004] 然而，在Wigner函數(shù)重構(gòu)時(shí)，需要將本底光和信號(hào)光鎖定在不同的相對(duì)相位，以 獲得任意角度的光學(xué)場(chǎng)量子起伏。同時(shí)，在執(zhí)行量子計(jì)算和量子邏輯操時(shí)，需要測(cè)量任意角 度的光學(xué)場(chǎng)正交分量的量子起伏，優(yōu)化量子計(jì)算和量子邏輯操作的結(jié)果。
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)中，鎖定兩個(gè)同頻率光學(xué)場(chǎng)到任意位相的方法是（中國(guó)發(fā)明專利，專利 號(hào)：ZL):首先利用位相調(diào)制器對(duì)一束光場(chǎng)進(jìn)行位相調(diào)制，然后令兩束光場(chǎng)在一個(gè)光學(xué)分 束器上干涉，最后利用探測(cè)器探測(cè)干涉信號(hào)，探測(cè)器輸出的直流信號(hào)經(jīng)過(guò)衰減器，輸出的 交流信號(hào)與解調(diào)信號(hào)混頻，衰減器輸出的余弦信號(hào)與混頻器輸出的正弦信號(hào)相加或相減， 獲得鎖定光學(xué)場(chǎng)任意干涉位相差的誤差信號(hào)sin0土kcosΘ，其中Θ稱為初始位相差， Ar=tan<p,通過(guò)衰減器調(diào)節(jié)比例系數(shù)k,可將干涉位相差鎖定到任意角度φ,將誤差信號(hào)反 饋到壓電陶瓷上，完成任意位相差的鎖定。
[0006] 本發(fā)明提出一種鎖定兩束同頻率激光到任意位相的方法，是利用一束輔助光束， 通過(guò)改變解調(diào)信號(hào)的相位，將兩束同頻率激光的相對(duì)相位鎖定到任意值。因?yàn)閮墒庀鄬?duì) 位相的調(diào)節(jié)通過(guò)調(diào)節(jié)解調(diào)信號(hào)的相位實(shí)現(xiàn)，解調(diào)信號(hào)的相位調(diào)節(jié)通過(guò)改變信號(hào)源的相位獲 得，比通過(guò)衰減器調(diào)節(jié)比例系數(shù)k更精確、直觀和簡(jiǎn)便，可以將兩束同頻率激光精確鎖定到 任意相位。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種鎖定兩束同頻率激光到任意位相的方法。
[0008] 本發(fā)明的核心思想是利用一束與第一被鎖定光束和第二被鎖定光束頻率失諧的 光束作為輔助光束，將兩束同頻率激光的相對(duì)相位鎖定到任意值。首先，利用光學(xué)分束器將 輔助光束分為兩束：第一輔助光束和第二輔助光束；然后，將第一被鎖定光束與第一輔助 光束的相對(duì)相位穩(wěn)定到固定值；最后，穩(wěn)定第二被鎖定光束與第二輔助光束的相對(duì)相位，通 過(guò)改變第二解調(diào)信號(hào)源的相位，可以將第二被鎖定光束與第二輔助光束之間的相對(duì)相位穩(wěn) 定到任意值。第一被鎖定光束與第二被鎖定光束之間的相對(duì)相位隨第二被鎖定光束與第二 輔助光束之間的相對(duì)位相改變，從而實(shí)現(xiàn)第一被鎖定光束與第二被鎖定光束之間的相對(duì)相 位到任意相位。
[0009] 本發(fā)明提供的一種鎖定兩束同頻率激光到任意位相的方法，包括以下步驟：
[0010] (1)、選定一束激光作為輔助光束，利用光學(xué)分束器將輔助光束分為兩束：第一輔 助光束和第二輔助光束。
[0011] 輔助光束的獲得有兩種方法：一種是利用聲光調(diào)制器的移頻原理，將被鎖定光束 分出一部分，經(jīng)過(guò)聲光調(diào)制器移頻后作為輔助光束。另一種是通過(guò)鎖定另一臺(tái)激光器與被 鎖定光束的相對(duì)相位，用它的輸出光作為輔助光束。利用光學(xué)分束器將輔助光束分為兩束： 第一輔助光束和第二輔助光束。第一輔助光束導(dǎo)入第一光學(xué)鏡片上與第一被鎖定光束合 束，第二輔助光束入射到第二光學(xué)鏡片上與第二被鎖定光束合束。
[0012](2)、將第一被鎖定光束與第一輔助光束的相對(duì)相位穩(wěn)定到固定值。
[0013] 第一信號(hào)源產(chǎn)生三角波信號(hào)，通過(guò)第一電子學(xué)開關(guān)和第一高壓放大器后，加載 到粘在一個(gè)光學(xué)反射鏡背面的第一壓電陶瓷上，掃描第一被鎖定光束和第一輔助光束的 相對(duì)位相。將第一輔助光束與第一被鎖定光束用第一光學(xué)鏡片合束，第一光學(xué)鏡片對(duì)第 一被鎖定光束和第一輔助光束的透射率為50%。第一輔助光束光場(chǎng)的表達(dá)式為Etl = AciC0S[2π(V(l+Ω)t]，第一被鎖定光束的光場(chǎng)表達(dá)式為E1=A1COS(2π V(lt+ Θ J，其中V。為 第一被鎖定光束的頻率，v〇+Ω為第一輔助光束的頻率，Q1S第一被鎖定光束與第一輔助 光束之間的相對(duì)位相。兩光束在第一光學(xué)鏡片上合束，合束后的干涉信號(hào)為

【權(quán)利要求】
1. 一種鎖定兩束同頻率激光到任意位相的方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 、選定一束激光作為輔助光束（3)，利用光學(xué)分束器（4)將輔助光束（3)分為兩束： 第一輔助光束（5)和第二輔助光束（6); 2) 、將第一被鎖定光束（1)與第一輔助光束（5)的相對(duì)相位穩(wěn)定到固定值； 3) 、穩(wěn)定第二被鎖定光束（2)與第二輔助光束（6)的相對(duì)相位，通過(guò)改變第二解調(diào)信號(hào) 源（23)的相位，可以將第二被鎖定光束（2)與第二輔助光束（6)之間的相對(duì)相位穩(wěn)定到任 意值； 4) 、第一被鎖定光束（1)與第二被鎖定光束（2)之間的相對(duì)相位隨步驟3)中第二被鎖 定光束（2)與第二輔助光束（6)之間的相對(duì)位相改變，從而實(shí)現(xiàn)第一被鎖定光束（1)與第 二被鎖定光束（2)之間的相對(duì)相位到任意相位。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種鎖定兩束同頻率激光到任意位相的方法，其特征在于，所 述的第一被鎖定光束（1)和第二被鎖定光束（2)的頻率相等。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種鎖定兩束同頻率激光到任意位相的方法，其特征在于，所 述的輔助光束（3)與第一被鎖定光束（1)和第二被鎖定光束（2)的頻率不相等。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種鎖定兩束同頻率激光到任意位相的方法，其特征在于，所 述的輔助光束（3)可以通過(guò)聲光調(diào)制器移頻第一被鎖定光束（1)或第二被鎖定光束（2)得 至IJ，或用另外一臺(tái)激光器的輸出光來(lái)充當(dāng)。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種鎖定兩束同頻率激光到任意位相的方法，其特征在于，所 述的輔助光束（3)與第一被鎖定光束（1)和第二被鎖定光束（2)的頻率差在第一探測(cè)器 (11)和第二探測(cè)器（12)的帶寬范圍內(nèi)。
6. 如權(quán)利要求1所述的一種鎖定兩束同頻率激光到任意位相的方法，其特征在于，所 述的第一解調(diào)信號(hào)源（19)和第二解調(diào)信號(hào)源（23)的輸出頻率等于第一被鎖定光束（1)和 第二被鎖定光束（2)與輔助光束（3)的頻率差。
【文檔編號(hào)】H01S3/10GK104332816SQ201410690155
【公開日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月26日
【發(fā)明者】鄭耀輝, 李志秀, 王雅君, 彭堃墀 申請(qǐng)人:山西大學(xué)