基于低频压缩光的声频信号测量

低频信号测量在引力波探测、生物成像及磁场测量等方面具有重要的应用价值.本文利用非简并光学参量放大器获得了低频压缩态光场,在频率19 kHz处直接测到的压缩度为(7.1±0.1)dB;将产生的正交位相压缩态光场注入到马赫-曾德尔干涉仪中,实现了超越散粒噪声极限(3.0±0.4)dB的声频相位信号的测量.本实验的开展为低频压缩光的产生及基于低频压缩光的声频信号测量提供了一定技术支撑,并且此技术有望扩展到磁场、空间小位移等其他物理量的量子精密测量方案中.     

光通信波段低频压缩态光场的实验制备

本文利用周期极化磷酸氧钛钾晶体构成的半整块结构简并光学参量振荡器实验制备了连续变量光通信波段低频压缩态光场。光学参量振荡器的阈值功率为210 mW。当775nm抽运光场功率为130 mW时,在分析频段50kHz~900kHz范围内获得真空压缩态光场。在200kHz分析频率处,压缩态光场的最大压缩度达5.0dB;在最低分析频率50kHz处,压缩态光场的压缩度为2.0dB。该低频压缩态光场可为基于光纤的量子精密测量提供量子光源。     

压缩真空态光场在光纤中传输特性的研究

本文利用简并光学参量振荡器实验制备了光通信波段1.5μm压缩真空态光场,压缩度为(5.03±0.13) d B。将已制备的1.5μm压缩真空态光场和同频率本地振荡光采用偏振复用的方式耦合注入单模光纤中进行传输,在理论和实验上研究了压缩真空态光场在光纤信道传输过程中经典和量子特性的演化,并讨论了本地振荡光在光纤信道中引起的声导波布里渊散射对传输过程的压缩真空态光场影响。实验测量了1.5μm压缩真空态光场在单模光纤中传输距离为8 km时,压缩度为0.14 dB,压缩特性仍得到保持。该研究为实现基于光纤的城域量子信息网络等奠定基础。     

基于多芯光纤级联布喇格光纤光栅的横向压力与温度同时测量

提出并制作了一种基于多芯光纤与单模光纤错位构成的马赫-曾德尔干涉仪,将其与光纤布喇格光栅级联,形成的全光纤传感系统可实现横向压力和温度双参量同时测量.马赫-曾德尔干涉仪是利用多芯光纤和单模光纤的模场不匹配而发生模间干涉,当外界横向压力直接作用在多芯光纤内部光场,干涉仪具有较高的灵敏度.实验结果表明:马赫-曾德尔干涉仪压力灵敏度为28.57nm/(N·mm~(-1)),线性度为0.997,而光纤布喇格光栅在一定范围内对压力变化不敏感;马赫-曾德干涉仪和光纤布喇格光栅对温度变化都具有较高的线性度,温度灵敏度分别为56.1pm/℃和11.3pm/℃.对于分辨率为0.02nm的光谱仪,传感器可实现的压力和温度测量分辨率分别为7.0×10~(-4)N/mm和0.03℃.马赫-曾德尔干涉仪的透射谱和光纤布拉光栅的谐振峰对横向压力和温度的变化有不同的光谱响应,利用光谱仪对传感器的透射谱实时监测,方便地实现了压力与温度双参量的测量.该传感器结构简单,灵敏度高,可用于不同领域的压力传感.     

探测器对量子增强马赫-曾德尔干涉仪相位测量灵敏度的影响

研究了强度差测量方案下,探测器量子效率对光子数态、关联数态、压缩真空态三种量子光源注入的马赫-曾德尔干涉仪相位测量灵敏度的影响.获得了相位测量灵敏度与效率的定量关系,比较了探测效率对不同量子态注入的干涉仪相位灵敏度的影响.研究表明：光子数态注入时,相位测量灵敏度始终不能超越标准量子极限;关联数态注入时,无论多大的光子数,要获得相位测量的量子增强,探测效率不得小于75%;对于压缩真空态,只要有压缩存在就可以获得一定的相位测量的量子增强;关联数态、压缩真空态的注入,相位灵敏度皆随探测效率的增大而不同程度的提高,且压缩真空态比关联数态具有更好的量子增强效果.给出了在量子增强的精密测量实验中对探测效率的要求,并结合实际应用说明了探测效率的提高有助于提高干涉仪探测的灵敏度.     

铷原子波段Time-bin量子比特的传输

在铷原子波段将光场信息编码到Time-bin量子比特,然后将Time-bin量子比特在光纤中经过2.3km的远距离传输,利用非平衡马赫-曾德尔干涉仪对传输后的Time-bin的相干度进行测量,实验结果显示单光子量级的Time-bin远距离传输后其相干保持度为81%。     

光子增加双模压缩真空态在马赫-曾德尔干涉仪相位测量中的应用

量子度量学主要是利用量子效应来提高参数估计的精度,以期突破标准量子极限,甚至达到海森伯极限.本文研究了一般光子增加双模压缩真空态作为马赫-曾德尔干涉仪的探测态时,在何种情况下能够提高待测相位的测量精度.根据量子Fisher信息理论,尽管在探测态具有相同的平均光子数这一约束条件下,对称的和非对称的光子增加操作并不能提高相位的测量精度.但若是在给定初始压缩参数的情况下,对称的和非对称的光子增加操作却能够增强相位的测量精度.另外,基于宇称测量的研究结果表明,对于对称光子增加双模压缩真空态,只有当待测相位趋于零时,宇称测量才是最优测量.而对于非对称光子增加双模压缩真空态,宇称测量并不是最优测量方案.     

实验制备光通信波段1.34μm高纯度的压缩态

本文利用周期极化磷酸氧钛钾晶体构成的光学参量振荡器实验制备了光通信波段1.34μm纯度为0.993的真空压缩态光场,压缩态光场的压缩度为2.98dB、反压缩度为3.04dB。高纯度的真空压缩态光场可为制备光通信波段高保真度的薛定谔猫态提供量子光源。     

同时测量温度和曲率的光纤传感器

提出了一种基于光纤布拉格光栅和马赫-曾德干涉仪相结合的同时测量曲率和温度的光纤传感器.该光纤传感器在马赫-曾德干涉仪中熔接一段布拉格光纤光栅,其中马赫-曾德干涉仪由两个花生形结构单模光纤熔接而成.实验结果表明,马赫-曾德干涉仪的透射谱中干涉峰和光纤布拉格光栅透射谱中谐振峰对曲率和温度有不同的响应灵敏度,因此可以利用矩阵实现对曲率和温度的同时测量.实验中测得马赫-曾德干涉仪曲率灵敏度为-27.58nm/m-1,光纤布拉格光栅在一定的测量范围内对曲率的变化不敏感,马赫-曾德干涉仪和光纤布拉格光栅的温度灵敏度分别为0.038 69nm/℃和0.012 17nm/℃.该系统采用全光纤结构,光纤布拉格光栅嵌入到马赫-曾德干涉仪中,因而结构紧凑和简单,且易于实现.     

利用马赫-增德尔干涉仪改善光纤激光器输出激光性能的研究

本文设计了马赫-曾德尔干涉仪(MZI)在实验上改善1.5μm光纤激光器的输出性能,研究了MZI分束镜的反射率以及锁定MZI透过率对抑制激光输出噪声的影响。在MZI运转于最佳状态时,1.5μm光纤激光器的功率稳定性由±0.20%提升至±0.09%,激光的强度噪声在10 kHz^35 kHz分析频率范围内得到了抑制,在分析频率为15 kHz处,强度噪声降低了约8 dB,为制备1.5μm非经典光场提供了优质激光光源。     

音频段1.34μm压缩态光场的实验制备

音频段压缩态光场是进行连续变量量子精密测量重要的量子资源.本文利用自制的低噪声连续单频671 nm/1.34μm双波长激光器作为抽运源,抽运基于周期极化磷酸氧钛钾晶体的简并光学参量振荡器,进行了光通信波段1.34μm连续变量音频段真空压缩态光场的实验制备.当简并光学参量振荡器运转于阈值以下参量反放大状态时,抽运光场功率为95 mW,本地振荡光功率为60μW时,在分析频率8—100 k Hz范围内研制出1.34μm真空压缩态光场.在分析频率36 k Hz处,压缩态光场的最大压缩度达5.0 d B;在音频频率8k Hz处,压缩态光场的压缩度达3.0 d B.音频段1.34μm压缩态光场可用于实现基于光纤的量子精密测量.     

低分析频率压缩光的实验制备

基于PPKTP晶体的阈值以下光学参量振荡(OPO)过程,制备了共振于铷原子D1线795 nm的压缩真空态光场,研究了分析频率处于千赫兹范围的主要噪声来源,特别是795 nm激光及其二次谐波397.5 nm激光在晶体内吸收引起的非线性损耗增加和系统热不稳定的问题(397.5 nm激光处于PPKTP晶体透光范围边缘,具有高于其他波长数倍的吸收系数).以795 nm和1064 nm为例,分析了非线性损耗及晶体内热效应对压缩度的影响.受限于以上因素,795 nm压缩光很难得到1064 nm波段同样的压缩度.探测系统中的噪声耦合则限制了压缩频带.实验上对分析频率为千赫兹的经典噪声进行了有效控制,通过使用真空注入的OPO、垂直偏振及反向传输的腔长锁定光、低噪声的平衡零拍探测器、高稳定度的实验系统及量子噪声锁定等方法,最终在2.6—100 kHz的分析频段得到了约2.8 dB的795 nm压缩真空.该压缩光可用作磁场测量系统的探测光以提高测量灵敏度.     

低频压缩态光场的制备

低频压缩态光场可用于提高引力波探测器灵敏度, 近年来受到人们的广泛关注. 相对于高频段而言, 低频压缩态的产生更容易受到外界环境噪声的干扰而不易被观察到. 本文采用全固化单频倍频Nd: YVO4/KTP激光器作为光源, 利用双波长共振的光学参量振荡器实现参量过程, 以1064 nm波长的红外作为基频光, 激光器腔内倍频产生的532 nm绿光作为抽运光, 通过调节周期性极化磷酸氧钛钾晶体温度使光学参量振荡器达到双波长同时共振, 采用真空注入的方式, 利用Pound-Drever-Hall锁腔技术锁定抽运场. 输出压缩光通过平衡零拍探测, 最终在实验上获得了频率低至3 kHz的真空压缩, 所直接观察到的压缩度为2 dB.     

Generation of squeezed vacuum on cesium D2 line down to kilohertz range

We report the experimental generation of a squeezed vacuum at frequencies ranging from 2.5 kHz to 200 kHz that is resonant on the cesium D2 line by using a below-threshold optical parametric oscillator(OPO). The OPO is based on a periodically-poled KTiOPO_4(PPKTP) crystal that is pumped using a bow-tie four-mirror ring frequency doubler. The phase of the squeezed light is controlled using a quantum noise locking technique. At a pump power of 115 mW, maximum quadrature phase squeezing of 3.5 d B and anti-squeezing of 7.5 d B are detected using a home-made balanced homodyne detector. This squeezed vacuum at an atomic transition in the kilohertz range is an ideal quantum source for quantum metrology of enhancing measurement precision, especially for ultra-sensitive measurement of weak magnetic fields when using a Cs atomic magnetometer in the audio frequency range.     

Generation of a stable low-frequency squeezed vacuum field with periodically poled KTiOPO4 at 1064 nm

We report the generation of a stable continuous-wave low-frequency squeezed vacuum field with a squeezing level of 7.4+/-0.1 dB at 1064 nm, the wavelength at which laser-interferometric gravitational wave (GW) detectors operate, using periodically poled KTiOPO4 (PPKTP) in a subthreshold optical parametric oscillator. The squeezing was observed in a broad band of frequencies above 700 Hz where the sensitivity of the currently operational GW detectors is limited by shot noise. PPKTP has the advantages of higher nonlinearity, smaller pump-induced seed absorption, and wider temperature tuning range than alternative nonlinear materials such as MgO-doped or periodically poled LiNbO3, and is, therefore, an excellent material for generation of squeezed vacuum fields for application to laser interferometers for GW detection.     

对应于铯原子D1线连续可调谐正交压缩态光场的制备

铯原子D₁线的非经典光由于其波长接近于量子点的独特优势,在固态量子信息网络的发展中有着重要的应用前景.在之前的工作中,利用两镜连续简并光学参量振荡器中的参量下转换过程,制备出2.8 d B正交压缩真空态光场.然而,所产生光场的压缩度较低,对于对压缩光具有实用意义的可调谐性能也未做进一步探究.理论分析表明,光学参量振荡器后腔镜对信号光透射率的增加及内腔损耗的减小可以提高压缩度.因此,本文在该研究基础上,通过使用高光洁度腔镜及优化腔镜镀膜参数等方式对光学参量振荡器进行改良,降低了光学参量腔阈值,获得压缩度为3.3 d B的单模正交压缩真空光.当光学参量腔运转为参量反放大状态时,在系统稳定运行的情况下,制备的明亮压缩态光场能够连续调谐80 MHz,为其在量子信息网络中的应用奠定了良好的基础.     

1.5μm光通信波段明亮压缩态光场的产生及其Wigner函数的重构

1.5 μm光通信波段非经典光场在光纤中有着极低的传输损耗, 因而是基于光纤的实用化连续变量量子信息研究的重要资源. 本文利用周期极化磷酸氧钛晶体构成的半整块结构简并光学参量放大器, 实验获得了连续变量1.5 μm光通信波段的明亮压缩态光场. 光学参量放大器的阈值功率为230 mW. 当780 nm抽运光场功率为110 mW, 1.5 μm注入信号光场功率为3 mW时, 连续变量1.5 μm明亮正交位相压缩态光场的压缩度达4.7 dB. 进而利用时域零拍探测系统测量压缩态, 采用量子层析技术重构了该明亮正交位相压缩态光场的Wigner准概率分布函数.     

利用自制的单频激光器获得近通讯波段正交振幅压缩态光场

利用自制的1.34 μm和0.67 μm双波长输出单频激光器作为泵浦源,泵浦基于PPKTP晶体的光学参量放大器,通过边带锁频技术将光学参量放大腔腔长锁定在激光频率上,将泵浦光和信号光相对相位锁定在π相位,经参量缩小过程获得低于散粒噪声极限约3 dB的正交振幅压缩光.压缩光位于光纤通信窗口——1.3 μm波段.     

Continuous-wave nonclassical light with gigahertz squeezing bandwidth

Squeezed states can be employed for entanglement-based continuous-variable quantum key distribution, where the secure key rate is proportional to the bandwidth of the squeezing. We produced a nonclassical cw laser field at the telecommunication wavelength of 1550 nm, which showed squeezing over a bandwidth of more than 2 GHz. The experimental setup used parametric downconversion via a periodically poled potassium titanyl phosphate crystal. We did not use any resonant enhancement for the fundamental wavelength, which should in principle allow a production of squeezed light over the full phase-matching bandwidth of several nanometers. We measured the squeezing to be up to 0.3 dB below the vacuum noise from 50 MHz to 2 GHz limited by the measuring bandwidth of the homodyne detector. The squeezing strength was possibly limited by thermal lensing inside the nonlinear crystal.