1064 nm固體激光器和光纖激光器在制備壓縮真空態(tài)光場實驗中的對比研究*

楊文海 刁文婷 蔡春曉 宋學瑞 馮付攀 鄭耀輝 段崇棣

1)(中國空間技術研究院西安分院,西安 710100)

2)(量子光學與光量子器件國家重點實驗室,山西大學光電研究所,太原 030006)

3)(山西大學,極端光學協(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,傳統(tǒng)的激光精密測量技術利用激光的相干性實現(xiàn)目標相位信息的高精度采集,實現(xiàn)對目標信息的高精度重構;該技術具有非接觸性和高靈敏度的特性,已經(jīng)在科學研究、生物醫(yī)學、工業(yè)生產、空間技術和國防技術中得到了廣泛應用[1-7].隨著科技的進步和發(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(shot noise limit,SNL)進一步提升測量精度,量子技術成為人們研究的焦點.而壓縮態(tài)光場作為一種潛在應用十分廣泛的非經(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.

近年隨著技術和工藝不斷進步,半導體激光二極管(laser diode,LD)抽運的全固態(tài)激光系統(tǒng)體積更小、功率更高,可長期穩(wěn)定運轉且相對強度噪聲(relative intensity noise,RIN)可在1.5 MHz之后達到SNL[8-10].這期間LD抽運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系統(tǒng)的實用化問題,如激光雷達、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,成為制備高品質非經(jīng)典光場的關鍵,其強度噪聲特性與非經(jīng)典光場的噪聲水平直接相關[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)典光場實驗產生系統(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 實驗分析

圖1所示為制備壓縮態(tài)光場的實驗系統(tǒng).本實驗系統(tǒng)的光源部分由一臺1064 nm單頻激光器構成.分別采用山西大學研制的單頻Nd：YVO4固體激光器和華南理工大學研制的摻Yb磷酸鹽單頻光纖激光器作為光源進行對比研究[4].本實驗系統(tǒng)采用外腔倍頻的方式獲得532 nm激光,用于抽運光學參量振蕩器產生壓縮真空態(tài)光場.故該實驗系統(tǒng)的核心部分為倍頻腔和光學參量振蕩腔.然后是實驗系統(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.此外還在實驗系統(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)典技術噪聲.MC的詳細參數(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.為了保證實驗系統(tǒng)的穩(wěn)定運轉,改進了光學諧振腔和移相器的機械結構以及電光相位調制器和探測器的電學性能[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.

圖1 本底光RIN測量裝置和壓縮態(tài)光場產生實驗系統(tǒng)(SHG,倍頻;EOM,電光調制器;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對實驗測量壓縮真空態(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驗系統(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的測量結果.圖2為采用光纖激光器為實驗系統(tǒng)光源時,對應的本底光的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驗系統(tǒng)光源時,對應的本底光的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是采用山西大學研制的單頻Nd：YVO4固體激光器作為實驗系統(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研制的摻Yb磷酸鹽單頻光纖激光器作為實驗系統(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.

采用山西大學研制的單頻Nd：YVO4固體激光器作為實驗系統(tǒng)的光源,在抽運功率為180 mW時(實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;采用華南理工大學研制的摻Yb磷酸鹽單頻光纖激光器作為實驗系統(tǒng)的光源,在抽運功率為140 mW時(實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)增加抽運光功率會使相位噪聲耦合到壓縮分量中從而導致壓縮度降低,所以兩種激光器作為系統(tǒng)光源時在不同的抽運光功率時壓縮度達到最大值,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[17]參量振蕩器產生壓縮真空態(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,實際卻只探測到了(10 ± 0.2)dB.推測產生以上實驗結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生了較大的測量誤差.下面對以上實驗結果進行理論分析和驗證.

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作為抽運源的全固態(tài)單頻激光器系統(tǒng)中,抽運光的強度噪聲、激光上能級自發(fā)輻射噪聲、偶極起伏噪聲、腔內損耗和輸出耦合鏡等均會將經(jīng)典技術噪聲和真空起伏噪聲引入激光器中,導致激光器輸出的激光的RIN在低頻段遠大于SNL,一般在幾兆赫茲處才能達到SNL.20世紀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,抽運功率不穩(wěn)定、環(huán)境溫度變化和機械振動均會引起輸出激光功率的隨機波動產生強度噪聲.由于固體激光器和光纖激光器的諧振腔結構以及增益介質工作機制不同,導致其RIN會有較大差異.

圖2和圖3證實了本文實驗使用的單頻光纖激光器的RIN遠大于單頻固體激光器的RIN.根據(jù)參考文獻[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).由于本實驗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]：

當本底光的RIN高于SNL時,壓縮度的測量值與實際值之間就會產生偏差.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光電研究所研制的帶有差分微調電路和可調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75.2 dB[20],本實驗所用的平衡零拍探測器為同款商用產品,電子元件和電路參數(shù)沒有經(jīng)過嚴格篩選和反復優(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研制的摻Yb磷酸鹽單頻光纖激光器作為實驗系統(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,采用山西大學研制的單頻Nd：YVO4固體激光器作為實驗系統(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 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,這是由于山西大學研制的單頻Nd：YVO4固體激光器的光學諧振腔的機械結構是由一整塊高強度的航空鋁在數(shù)控機床上一次加工而成,然后經(jīng)過熱處理技術進行時效硬化并釋放機械應力,使得單頻固體激光器的光學諧振腔的機械穩(wěn)定性明顯優(yōu)于單頻光纖激光器由光纖和光柵構成的光學諧振腔的機械穩(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諧振腔的影響遠小于對單頻光纖激光器光學諧振腔的影響;此外單頻固體激光器諧振腔內只有激光晶體和光學單向器引入的光學損耗,而單頻光纖激光器諧振腔內的增益光纖和光柵以及后續(xù)的放大過程均會引入光學損耗,導致在1 MHz附近的中頻段具有較強的弛豫振蕩峰,所以單頻固體激光器的RIN明顯低于單頻光纖激光器.

實驗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,導致兩種激光器作為實驗系統(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)光場時所用抽運光功率比單頻固體激光器低了40 mW,因此產生的壓縮度也會低0.6 dB.根據(jù)上述理論計算結果可知單頻光纖激光器的RIN導致的壓縮度測量誤差約2.6 dB;單頻固體激光器的RIN導致的壓縮度測量誤差約0.006 dB可忽略不計.綜上所述,實驗結果與理論計算結果基本吻合,證實了單頻光纖激光器較大的RIN是影響本實驗平衡零拍探測系統(tǒng)測量精度的主要因素.所以降低單頻光纖激光器的RIN是其應用于非經(jīng)典光場制備之前要解決的關鍵問題之一.