Rydberg原子的电磁诱导透明光谱的噪声转移特性

基于马赫-曾德尔干涉仪和平衡零拍探测技术研究了Cs原子6S_1/2↔6P_3/2↔62D_5/2Rydberg态阶梯型三能级系统电磁诱导透明效应中耦合光场的噪声向探测光场相位噪声的转移特性.实验中探测光频率锁定在Cs原子6S_1/2↔6P_3/2态共振跃迁线上,通过扫描6P_3/2到62D_5/2态跃迁的耦合光频率,测量了Rydberg态电磁诱导透明光谱.利用探测光经过声光调制器后的一级衍射光实现了马赫-曾德尔干涉仪的相位锁定,测量了不同锁定相位情况下的电磁诱导透明光谱,实验结果与阶梯型三能级系统的理论计算结果符合得很好.在此基础上详细研究了耦合光频率共振在6P_3/2到62D_5/2态跃迁线上时,耦合光频率噪声向探测光相位噪声的转移特性,发现耦合光频率噪声转移效率在高频处显示出较明显的抑制.同时观察到耦合光在不同失谐情况时,随着耦合光功率的改变,探测光相位噪声的变化特征表现出明显差异.     

压缩态光场平衡零拍探测的位相锁定

平衡零拍探测是测量量子光场的重要方法之一. 通过对相位灵敏光学参量放大器注入的信号进行位相调制, 然后利用平衡零拍探测系统测量光学参量放大器输出的压缩光. 将相位灵敏光学参量分别运转在参量放大和参量缩小, 通过观察噪声谱中的调制信号就可确定测量的量子光场是正交振幅或位相分量. 通过解调位相调制信号可获得误差信号, 实现锁定平衡零拍探测系统本底光与待测光场相对位相为零(对应于待测光场振幅噪声分量). 关键词： 平衡零拍探测 位相锁定     

基于数字非线性锁相环的相干态相位估计

基于量子理论获取相位参数的导航机制,理论上可以突破经典物理极限对导航精度的限制.利用量子零拍探测对相干态光场相位进行测量时,通常需要相位与之正交的本振光才能使测量精度达到量子标准极限.由于导航信号相位的高非线性特点,想要利用传统的线性锁相环获取完全满足条件的本振光具有一定的难度.为此,本文设计了一种基于容积准则的非线性锁相环,实现了在非正交本振光的条件下对相干态相位进行精确测量的功能.首先,利用相干态的Wigner函数推导了其相位在量子零拍探测的输出结果,设计了量子相位估计的非线性数字锁相环框架.然后基于正交单纯形容积准则设计了非线性滤波算法实现锁相环功能,该锁相环通过对本振相位进行多次状态更新,最终实现非线性迭代估计.实验结果表明,本文方法突破了本振光相位需与相干态相位正交的局限性,避免了传统量子锁相环方法引入的线性化误差,实现了对相干态相位的准确、稳定估计.     

模式清洁器的噪声转化与输出场噪声分析

根据三镜腔模式清洁器的反射光场及透射光场的传输特性,推导了反射光场和透射光场中振幅和相位两个正交分量的噪声转化函数,理论证明模式清洁器可以实现半导体激光器振幅噪声和相位噪声的相互转化.搭建三镜腔模式清洁器和自平衡零拍探测实验系统,测量了模式清洁器反射光场和透射光场的振幅噪声谱,实验结果与理论结果一致.根据模式清洁器的噪...     

弱脉冲光时域平衡零拍测量的实验研究

设计了一套可以用来测量弱脉冲光时域噪声信息的平衡零拍探测系统,通过对本底光散粒噪声基准的测量分析了该系统的各项性能指标,并且对弱相干光脉冲进行了正交位相振幅分量的噪声测量。     

压缩真空光输入和光子计数法增强Sagnac效应

压缩真空光输入和平衡零拍探测可有效增强Sagnac效应,提高陀螺精度;考虑平衡零拍探测的相位精度与相位自身相关,仅在某特定相位能达到最佳灵敏度,设计了一种基于光子计数法提取Sagnac输出相位的方案,并利用贝叶斯理论估计相位.理论分析结果表明,该方法能突破散粒噪声极限,相位精度不再受限于相位自身,且当压缩真空光和相干激光功率相同时,精度在理论上能达到海森堡极限.     

平衡零拍测量对连续变量量子密钥分配的影响

与单光子量子密钥分配采用单光子探测器不同，连续变量量子密钥分配采用平衡零拍测量技术.分析了由于参考光的真空噪声、分束器的透射率和反射率不相等引入的平衡零拍测量误差，以及平衡零拍测量探测器的电子噪声对连续变量量子密钥传输的最大安全距离的限制，给出了平衡零拍测量的探测噪声、电子噪声和密钥量之间的定量表达式.     

基于马赫-曾德干涉法测量原子介质的色散特性

理论分析了利用马赫-曾德干涉仪及平衡零拍探测技术测量相干介质色散特性的方法,实验测量了三能级铯原子分别在电磁诱导透明和电磁诱导吸收两种截然相反的相干效应下的色散特性.研究表明:在原子频率共振中心,对于透明介质,由于吸收减弱效应,信号光能穿出介质,保证了有效色散信息,即正常色散特性能被测量到;相反地,对于吸收介质,由于强吸收效应,只有在低粒子数密度条件下,即保证有信号光没有被完全吸收而穿出介质,才能测量到介质的反常色散特性;当提高铯泡温度时,介质对信号光吸收增强以至完全吸收,并且吸收频谱宽度变宽,导致色散信息不能被有效测量到.     

~(87)Rb玻色-爱因斯坦凝聚体中的电磁诱导透明现象

通过吸收成像方法,统计探测光对原子气体的加热损耗,在~(87)Rb玻色-爱因斯坦凝聚体中观察到电磁诱导透明现象。观察电磁诱导透明现象的常规方法是测量探测光的透射光谱,但是对于玻色-爱因斯坦凝聚体这种易受外界干扰的研究对象,应用吸收成像的方法更加简单适用。实验发现,经过透镜聚焦后耦合光的光斑大小强烈影响电磁诱导透明的线型。改变探测光的偏振状态,在电磁诱导透明的峰值处观察到拉曼跃迁过程。拉曼跃迁过程使电磁诱导透明窗口出现极窄的吸收线。相比于电磁诱导透明效应,在拉曼跃迁机制下,探测光的色散曲线更加陡峭,可实现更高效的光减速效果。在双光子共振处,通过改变探测光的偏振状态从而改变其吸收与色散性质,可构造光学开关和光偏振的光致旋转。     

压缩真空光输入和光子计数法增强Sagnac效应（英文）

压缩真空光输入和平衡零拍探测可有效增强Sagnac效应,提高陀螺精度;考虑平衡零拍探测的相位精度与相位自身相关,仅在某特定相位能达到最佳灵敏度,设计了一种基于光子计数法提取Sagnac输出相位的方案,并利用贝叶斯理论估计相位.理论分析结果表明,该方法能突破散粒噪声极限,相位精度不再受限于相位自身,且当压缩真空光和相干激光功率相同时,精度在理论上能达到海森堡极限.     

铷原子蒸汽中观测脉冲真空压缩态的建立

本论文提出并实验演示了一种系统由经典态进入到量子态演化过程的测量方法,对铷原子(87 Rb)蒸汽中,基于光偏振自旋转效应产生的脉冲真空压缩光的建立过程进行了研究,描述了脉冲光场从经典热态到真空压缩态的噪声涨落变化。脉冲真空压缩光的压缩度为-1.1dB。具体实验上,先采用平衡零拍探测方法测量了脉冲真空压缩光的正交分量,然后通过对正交分量做相位平均统计处理,得到了信号光场平均光子数随时间的变化分布,观测到75μs的压缩态建立时间。本文的实验方法为将来基于原子吸收线的短脉冲压缩光的产生打下实验基础,并为经典态和量子态的转换过程的研究提供一种可行的实验测量方案。     

倒Y型四能级原子系统中电磁诱导透明的相干控制

研究了倒Y型四能级原子系统中相干控制电磁诱导透明.应用微扰理论给出一阶近似条件下,不同控制场原子系统对探测光场响应的解析式及电磁诱导透明窗宽度的解析式.在探测场为弱场时,分析了系统中控制光场强度、耦合光场强度及其失谐量对电磁诱导透明窗的影响.研究发现电磁诱导透明窗随控制光场强度的增强变宽,而随耦合光场强度的增强变窄,当探测光场与耦合光场偏离双光子共振时,透明窗外的吸收增加,透明窗变宽.在弱探测场、弱控制场条件下,分析了初始时刻原子处在相干叠加态时的相对相位、相对强度与探测场和控制场的相对相位等对系统吸收特性及透明窗的影响.结果表明探测场与控制场的相对相位对吸收的影响与相干叠加态中两能级之间几率幅的相对相位对吸收的影响作用相反,系统在两下能级干涉极大时,存在一个很宽的透明带.应用缀饰态理论和量子相干理论对所得结果进行了解释.     

双模压缩光量子测距方案

针对多光子纠缠测距方案量子态的产生和保持困难及量子关联测距中利用光路延迟法进行测距时量程有限的问题,设计了基于双模压缩态和平衡零拍探测的量子测距方案。利用双模压缩光束对应正交分量在同步时关联性最大的性质,对参考信号光电流进行时间延迟实现距离参数的测量,在双平衡零拍探测器对纠缠光束正交分量探测的基础上,分别提出了相关函数估计法、关联噪声估计法和关联矩阵分析法以实现量子测距的延迟时间估计,并进行了相应的理论证明和原理性仿真验证,结果表明,提出的量子测距方案是可行的。     

基于R-C耦合跨阻设计的1 kHz～200 MHz宽带平衡零拍探测器

通过分析平衡零拍探测器的噪声来源，采用电阻-电容（R-C）耦合跨阻电路方案并优化跨阻放大电路结构，实现了一种低噪声、高共模抑制比的宽带平衡零拍探测器，工作带宽为1 kHz～200 MHz。当光功率为8 mW的1550 nm激光入射时：在5 kHz分析频率处散粒噪声功率比电子学噪声功率高12 dB，共模抑制比达到70 dB；在100 MHz分析频率处散粒噪声功率比电子学噪声功率高20 dB，共模抑制比达到66 dB。该探测器可以为低频引力波探测、高速连续变量量子密钥分发和高速量子随机数发生器等应用提供高性能的探测工具。     

时域脉冲平衡零拍探测器的高精度自动平衡

时域脉冲平衡零拍探测器能够直接对光场量子态的正交分量进行测量, 是连续变量量子密钥分发系统的核心测量器件, 其测量精度与密钥分发系统的额外噪声及安全密钥速率密切相关. 本文理论分析了探测器双臂不平衡对测量精度的影响, 实验设计并研制了双臂可精确自动平衡的时域脉冲平衡零拍探测器. 通过高精度控制探测器一臂的光纤圆环曲率半径, 实现了光纤内部光场强度的精密衰减, 进而获得了探测器的精确自动平衡. 实验测试结果表明时域平衡零拍探测器双臂具有10^-5以上的平衡精度, 能够长时间稳定运行, 有效避免了探测器的输出电压进入非线性区或饱和区. 该探测装置可应用于连续变量量子密钥分发系统, 有效降低由于量子态信号探测过程引入的额外噪声, 提高系统的长期稳定性.     

分束器上光束相位差的锁定

本文利用两种方法分别实现了５０：５０分束器上不同相位差的锁定,输入功率与一般平均零拍探测系统工作条件相同。锁定稳定度优于２％,可用于平衡零拍探测系统对不同正交分量探测的要求。     

电磁诱导吸收介质中探针场的量子噪声特性

在N型原子系统中,在二束强的耦合场作用于介质对探针场体现出很强的诱导吸收作用,与此同时,强吸收引起的自发辐射噪声会影响探针场的量子噪声特性.该文章研究了输入的量子化探测场在经过电磁诱导吸收介质后的噪声特性变化,数值模拟得出,通过调节控制场的强度可以使得探测场的噪声谱图形在吸收窗口范围内产生震荡分裂,噪声最小值处于一定的探针场失谐处.     

压缩真空中的电磁诱导透明

从主方程出发,通过解析求解密度矩阵非对角元,研究了压缩真空中Λ型三能级原子的电磁诱导透明现象(EIT).研究结果表明:EIT显著地依赖于相干光场的相位、压缩真空的压缩强度和压缩相位.Λ型三能级原子不但有电磁诱导透明和慢光速现象,而且还会表现出对探测光的增益、快光速和反向光速效应;且Λ型三能级原子对探测光场的吸收和增益与探测光强度有关,这与普通真空中不同. 关键词： 压缩真空 电磁诱导透明 增益     

四能级原子系统中的电磁诱导吸收

以三个电偶极跃迁(中间跃迁作为探测跃迁、两边分别是耦合跃迁和控制跃迁)构成N型四能级系统为例，研究介质对探测光的吸收.揭示了在N型四能级系统中，既可产生电磁诱导吸收又可产生电磁诱导透明.这不仅取决于非相干转移率的大小，而且还取决于耦合场、控制场的强度和第四个简并能级的衰减速率大小. 关键词： 电磁诱导吸收 电磁诱导透明 原子相干的自发转移 能级的衰减速率     

100.8 km大动态零差相干微波光子传输链路

针对微波通信、超视距雷达和有线电视系统等军民应用需求,为了实现光载射频信号的大动态远距离传输,提出了基于光学锁相环与粒子群算法的零差相干微波光子传输链路技术。该链路前端采用零差光锁相环实现了本振光对信号光的相位跟踪锁定,抑制了锁相带宽内的激光器频率漂移和相位噪声以及长距离光纤导致的相噪恶化,同时平衡探测方式消除了直流分量相关相对强度噪声;通过分析链路前端非线性失真来源,在后端数字处理单元利用粒子群算法寻找最佳非线性失真纠正系数,并对I/Q两路数字信号进行延时匹配、幅相均衡以及线性相位解调,实现了100 MHz频段内射频信号的大动态远距离(≥120 dB·Hz^2/3和100.8 km)传输。