一种测量光学参量振荡腔逃逸效率的方法与流程

本发明涉及量子信息技术领域，特别涉及光学参量振荡腔的逃逸效率确定方法。

背景技术：

压缩态光场是一种非常重要的非经典光场，可以应用于引力波的探测、光学精密测量、纠缠态光场的产生、量子通讯等研究领域。尤其在量子通讯方面，两个单模压缩态光场或者一个双模压缩态光场可用来产生纠缠光，纠缠光是量子信息技术的核心资源，可以完成量子纠缠交换、超微弱信息的量子传输、量子保密通信、量子密集编码和量子离物传态等量子通信领域的重要原理性实验。压缩态光场噪声压缩度的大小主要由压缩光产生系统的总损耗和总相位噪声决定，系统的总损耗主要由制备压缩光所用光学参量振荡腔的逃逸效率、压缩光的传输损耗、平衡零拍探测系统的干涉效率、平衡零拍探测器的量子效率等组成。量化系统的损耗对压缩/纠缠光源总体设计，及分析理论结果和实验结果的差异和克服等具有重要意义。

传输损耗由压缩光产生系统到探测系统之间的所有光学元件的损耗之和，在实验中容易测量获得。平衡零拍探测系统的干涉效率由本地振荡光和信号光的干涉效率决定，在实验中容易测量获得。平衡零拍探测器的量子效率由探测器所用光电二极管的性能决定，光电二极管出厂时一般都有标称。而光学参量振荡腔的逃逸效率由光学参量振荡腔中光学元件的反射率，腔内非线性晶体的吸收损耗等因素共同决定。

光学参量振荡过程是获得压缩态光场的重要技术手段，根据光学参量振荡腔量子噪声的理论分析，可以得到正交分量压缩的理论表达式(P.K.Lam,T.C.Ralph,B.C.Buchler er al.,Optimization and transfer of vacuum squeezing from an optical parametric oscillator,J.Opt.B:Quantum Semiclass.Opt.1(1999)469-474)如下：

其中，η_esc是光学参量振荡腔的逃逸效率，同等条件下，逃逸效率越高，获得的压缩度越高。逃逸效率为光学参量振荡腔输出耦合透射率与总损耗的比值，对于固定的输出耦合透射率，光学参量腔的内腔损耗越小，逃逸效率越高。内腔损耗与腔内元件的质量有关，在现有技术中，要计算内腔损耗，需要对腔的输入耦合镜反射率、输出耦合镜的反射率、腔内元件的剩余反射率、腔内元件的吸收损耗等均进行测量才能获得。不仅操作过程繁琐，而且对内腔损耗的衡量不直观。

逃逸效率为光学参量振荡腔输出耦合透射率与总损耗的比值，对于固定的输出耦合透射率，光学参量腔的内腔损耗越小，逃逸效率越高，在同等条件下，逃逸效率越高，获得的压缩度越高。而光学参量振荡腔的逃逸效率由光学参量振荡腔中光学元件的反射率，腔内非线性晶体的剩余反射率、吸收损耗等因素共同决定。所以在现有技术中，要得到逃逸效率，就需要测出输入耦合镜、输出耦合镜、以及其它腔镜的反射率、透射率及其他各腔镜的损耗、腔内晶体的剩余反射率，腔内晶体的损耗，求出损耗的粗略值，进而利用逃逸效率公式求出逃逸效率，其中T_out为耦合镜的透射功率，L_cav为除输出耦合镜透过率外其它损耗之和，η_esc为逃逸效率。

为了确定逃逸效率需要对输入耦合镜透射率、其它腔镜的发射率、腔内元件的剩余反射率、腔内元件的吸收损耗等参数进行逐一测量，测量参数较多，过程繁琐，且每个元件参数测量的误差累积会影响最终的测量结果。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术中所存在的问题，本发明的目的在于提供一种测量光学参量振荡腔逃逸效率的方法，无需测量每一个腔内元件的反射和损耗参数，使测量的过程简单，结果精确。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种测量光学参量振荡腔逃逸效率的方法，其特征是执行以下步骤：

一种测量光学参量振荡腔逃逸效率的方法，其特征是执行以下步骤：

A.在恒定的入射光功率下，测量待测光学参量振荡腔共振时的反射光功率P_r,on；

B.保持入射光功率不变，测量待测光学参量振荡腔远离共振时的反射光功率P_r,off；

C.计算待测光学参量振荡腔共振时和远离共振时的反射光功率之比

D.计算待测光学参量振荡腔的逃逸效率η_esc，

进一步的，所述反射光的功率测量方法是采用激光功率计测量反射光功率的绝对值。

进一步的，所述反射光的功率测量方法是采用线性光电转换器件测量反射光功率的相对值。

进一步的，所述光学参量振荡腔输出镜的透过率远大于腔内其它元件的损耗之和。

本发明提供一种测量光学参量振荡腔逃逸效率的方法，只需测量待测光学参量振荡腔共振与非共振时反射光的功率，就可以迅速计算获得光学参量振荡腔的逃逸效率，操作简单、结果精确直观，具有较高的实用价值。

附图说明

图1为两镜光学参量振荡腔装置结构示意图；

图2为四镜环形光学参量振荡腔装置结构示意图；

图3为本发明与现有技术测量结果对比图。

具体实施方式

结合附图对本发明的技术方案作说明如下。

以下通过具体实例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

实例1：

如图1所示，选择最简单的两镜光学参量振荡腔作为本发明光学参量振荡腔逃逸效率的测量对象，测量过程中，光束从光学参量腔的输出镜入射，则光学参量腔的输出镜作为实际测量过程中的输入镜。

设输入耦合镜的反射率为r₁，透射率为t₁，输出耦合镜的反射率为r₂，透射率为t₂，光学参量腔内有一非线性倍频晶体，设晶体的吸收为t_c，E_in为输入耦合镜前面的电场强度，E_out为输出耦合镜前面的电场强度，E_r为反射后输入耦合镜前面的电场强度。对于理想的两镜光学参量振荡腔，可以认为腔内场在任何一点都具有相同的相位，很容易得到标准化输入场。

两镜光学参量振荡腔输入光波的电场强度可以表达为E_in(t)＝E₀e^iωt,则透射光波的振幅可以表达为：

式中E_in(t)为输入光场的振幅，E₀为初始的电场振幅，E_t(t)为透射光场的振幅，ω为光场的角频率，t为光场的传播时间，L为光学参量振荡腔的腔长，c为光在真空中的传播速度。透射光场的振幅E_t(t)的表达式为无穷阶等比数列，当等比数列的阶数趋于无穷大时，透射光场的振幅E_t(t)可以用上面公式第二个等号后的式子来表示。

反射光波的电场强度表达为：

式中E_r(t)为反射光场的振幅；

则有：

由腔共振时的条件易得腔共振时反射光的振幅E_r,on与入射光的振幅E_in之比为：

其中，r_L＝r₂t_L²是输出镜的透射和晶体的吸收两者引入的等效振幅反射率。

由腔远离共振时的条件易得腔远离共振时反射光的振幅E_r,off与入射光的振幅E_in之比为：

其中，r_L＝r₂t_L²是输出镜的透射和晶体的吸收两者引入的等效振幅反射率。

所以对这两式进行平方，就可以求得共振时反射光的功率P_r,on与入射光的功率P_in之比为：

远离共振时反射光的功率P_r,off与入射光的功率P_in之比为：

则腔共振与远离共振时反射光的功率之比ε为：

实例2：

如图2所示，选用单共振的四镜环型腔作为光学参量振荡腔，由两个平面镜(M₁、M₂)和两个平凹镜(M₃、M₄)组成，晶体位于两凹面镜的中央。

令：输入镜的的振幅反射率分别为r₁，振幅透射率为t₁，其它腔镜的振幅反射率分别为r₂、r₃、r₄，振幅透射率分别为t₂、t₃、t₄，光学参量腔内有一非线性晶体，设晶体的吸收为t_c，同样设腔输入光波的电场强度可以表达为E_in(t)＝E₀e^iωt,

同实施例1，可得反射光波的电场强度表达为：

式中E_in(t)为输入光场的振幅，E₀为初始的电场振幅，E_t(t)为透射光场的振幅，ω为光场的角频率，t为光场的传播时间，L为光学参量振荡腔的腔长，c为光在真空中的传播速度。透射光场的振幅E_t(t)的表达式为无穷阶等比数列，当等比数列的阶数趋于无穷大时，透射光场的振幅E_t(t)可以用上面表达式右边的式子来表示；

则有：

由腔共振时的条件易得腔共振时反射光的振幅E_r,on与入射光的振幅E_in之比为：

其中，r_L＝t_cr₂r₃r₄是除输入耦合镜外其它腔镜总的等效振幅反射率。

由腔远离共振时的条件易得腔远离共振时反射光的振幅E_r,off与入射光的振幅E_in之比为：

对上述两式进行平方，求得共振时反射光的功率P_r,on与入射光的功率P_in之比为：

远离共振时反射光的功率与入射光的功率P_in之比为：

则腔共振与远离共振时反射光的功率之比ε为

可见，腔共振与远离共振时反射光的功率之比ε，对于实施例1的两镜光学参量振荡腔，实施例2的四镜环型光学参量振荡腔，存在相同的函数关系。根据上面的推导过程，显而易见可将该关系推广到任意数量腔镜的光学参量振荡腔，且均满足上述的表达式。

由逃逸效率公式其中显而易见，逃逸效率与腔共振与非共振时的功率之比ε之间有函数关系。

逃逸效率为光学参量振荡腔输出耦合透射率与总损耗的比值，对于固定的输出耦合透射率，光学参量腔的内腔损耗越小，逃逸效率越高，在同等条件下，逃逸效率越高，获得的压缩度越高。故要获得高的压缩度，就需要高的逃逸效率，则L_cav,r_L＜＜1。因此，我们能够得到上述条件下逃逸效率腔共振与远离共振时的反射功率之比ε之间的关系，即可利用腔共振与非共振时的反射功率之比的测量结果，计算得到光学参量振荡腔的逃逸效率。

根据上述的上面的关系，以及光学参量振荡腔的实际工作条件，光学参量振荡腔的腔内损耗L_cav能近似表达为下面的式子

将上式带入逃逸效率公式得到逃逸效率η_esc可表示为：

因此，光学参量振荡腔的逃逸效率，只需测量待测光学参量振荡腔共振与非共振时反射光的功率，就可以迅速计算得到。具体测量方法是执行以下步骤：

A.在恒定的入射光功率下，测量待测光学参量振荡腔共振时的反射光的功率P_r,on；

B.保持入射光功率不变，测量待测光学参量振荡腔远离共振时的反射光的功率P_r,off；

C.计算待测光学参量振荡腔共振时和远离共振时的反射光的功率之比

D.计算待测光学参量振荡腔的逃逸效率η_esc，

进一步的，所述反射光的功率测量方法是采用激光功率计测量反射光功率的绝对值。

进一步的，所述反射光的功率测量方法是采用线性光电转换器件测量反射光功率的相对值。

进一步的，所述光学参量振荡腔输出镜的透过率远大于腔内其它元件的损耗之和。

对比实验：利用背景技术介绍的现有技术和本发明技术分别测量了该实施例所述的光学参量振荡强的逃逸效率，图3是测量结果(横坐标为测量过程中输入耦合镜的透过率，纵坐标为光学参量振荡腔的逃逸效率)。图中方形的数据点为利用现有技术测量得到的逃逸效率结果，圆形的数据点为利用本发明技术测量得到的逃逸效率结果。两种方法对比表明本发明技术的测量结果不确定度为约为0.3％，且测量结果的不确定度随着光学参量振荡腔逃逸效率的增大而减小。