一种锁定两束同频率激光到任意位相的方法
【专利摘要】本发明提供了一种锁定两束同频率激光到任意位相的方法，此方法包括以下步骤：选定一束激光作为辅助光束，利用光学分束器将辅助光束分为两束：第一辅助光束和第二辅助光束；将第一被锁定光束与第一辅助光束的相对相位稳定到固定值；稳定第二被锁定光束与第二辅助光束的相对相位，通过改变第二解调信号源的相位，可以将第二被锁定光束与第二辅助光束之间的相对相位稳定到任意值。第一被锁定光束与第二被锁定光束之间的相对相位随第二被锁定光束与第二辅助光束之间的相对位相改变，从而实现第一被锁定光束与第二被锁定光束之间的相对相位到任意相位。该方法装置简单，操作方便，实用性强，可以锁定两束同频率激光到任意位相。
【专利说明】一种锁定两束同频率激光到任意位相的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及激光【技术领域】，具体是一种锁定两束同频率激光到任意相位的方法。【背景技术】
[0002] 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，纠缠光作为量子信息的基础和核心，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。
[0003] 平衡零拍探测系统是量子光学实验中非常重要的测量装置，可以用于测量压缩态 光场和纠缠态光场的正交分量量子起伏。该系统由一个50/50光学分束器、两个高量子效 率光电探测器和一个电子信号减法器构成。将一束功率远大于待测光场的本底振荡光与 待测光场在50/50光学分束器上进行相干耦合，两个探测器分别探测分束器两臂上的出射 光，探测器测量得到的结果通过减法器相减，其输出信号正比于待测光场的正交分量量子 起伏，其测量结果与本底光和待测光场的相对位相有着密切的关系。通过锁定两束光学场 之间的相对位相，即可测量信号光场的正交振幅或正交位相噪声。当本底光与待测光场的 位相差锁定到零时，可测量信号光场的正交振幅分量噪声；当本底光与待测光场的位相差 锁定到n/2时，可测量信号光场的正交位相分量噪声。在纠缠光产生的实验中，需要将两 束压缩光的相位锁定在η/2相位，获得纠缠光输出。上述几种特殊相对相位的锁定比较容 易。
[0004] 然而，在Wigner函数重构时，需要将本底光和信号光锁定在不同的相对相位，以 获得任意角度的光学场量子起伏。同时，在执行量子计算和量子逻辑操时，需要测量任意角 度的光学场正交分量的量子起伏，优化量子计算和量子逻辑操作的结果。
[0005] 现有技术中，锁定两个同频率光学场到任意位相的方法是（中国发明专利，专利 号：ZL):首先利用位相调制器对一束光场进行位相调制，然后令两束光场在一个光学分 束器上干涉，最后利用探测器探测干涉信号，探测器输出的直流信号经过衰减器，输出的 交流信号与解调信号混频，衰减器输出的余弦信号与混频器输出的正弦信号相加或相减， 获得锁定光学场任意干涉位相差的误差信号sin0土kcosΘ，其中Θ称为初始位相差， Ar=tan<p,通过衰减器调节比例系数k,可将干涉位相差锁定到任意角度φ,将误差信号反 馈到压电陶瓷上，完成任意位相差的锁定。
[0006] 本发明提出一种锁定两束同频率激光到任意位相的方法，是利用一束辅助光束， 通过改变解调信号的相位，将两束同频率激光的相对相位锁定到任意值。因为两束光相对 位相的调节通过调节解调信号的相位实现，解调信号的相位调节通过改变信号源的相位获 得，比通过衰减器调节比例系数k更精确、直观和简便，可以将两束同频率激光精确锁定到 任意相位。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是提供一种锁定两束同频率激光到任意位相的方法。
[0008] 本发明的核心思想是利用一束与第一被锁定光束和第二被锁定光束频率失谐的 光束作为辅助光束，将两束同频率激光的相对相位锁定到任意值。首先，利用光学分束器将 辅助光束分为两束：第一辅助光束和第二辅助光束；然后，将第一被锁定光束与第一辅助 光束的相对相位稳定到固定值；最后，稳定第二被锁定光束与第二辅助光束的相对相位，通 过改变第二解调信号源的相位，可以将第二被锁定光束与第二辅助光束之间的相对相位稳 定到任意值。第一被锁定光束与第二被锁定光束之间的相对相位随第二被锁定光束与第二 辅助光束之间的相对位相改变，从而实现第一被锁定光束与第二被锁定光束之间的相对相 位到任意相位。
[0009] 本发明提供的一种锁定两束同频率激光到任意位相的方法，包括以下步骤：
[0010] (1)、选定一束激光作为辅助光束，利用光学分束器将辅助光束分为两束：第一辅 助光束和第二辅助光束。
[0011] 辅助光束的获得有两种方法：一种是利用声光调制器的移频原理，将被锁定光束 分出一部分，经过声光调制器移频后作为辅助光束。另一种是通过锁定另一台激光器与被 锁定光束的相对相位，用它的输出光作为辅助光束。利用光学分束器将辅助光束分为两束： 第一辅助光束和第二辅助光束。第一辅助光束导入第一光学镜片上与第一被锁定光束合 束，第二辅助光束入射到第二光学镜片上与第二被锁定光束合束。
[0012](2)、将第一被锁定光束与第一辅助光束的相对相位稳定到固定值。
[0013] 第一信号源产生三角波信号，通过第一电子学开关和第一高压放大器后，加载 到粘在一个光学反射镜背面的第一压电陶瓷上，扫描第一被锁定光束和第一辅助光束的 相对位相。将第一辅助光束与第一被锁定光束用第一光学镜片合束，第一光学镜片对第 一被锁定光束和第一辅助光束的透射率为50%。第一辅助光束光场的表达式为Etl = AciC0S[2π(V(l+Ω)t]，第一被锁定光束的光场表达式为E1=A1COS(2π V(lt+ Θ J，其中V。为 第一被锁定光束的频率，v〇+Ω为第一辅助光束的频率，Q1S第一被锁定光束与第一辅助 光束之间的相对位相。两光束在第一光学镜片上合束，合束后的干涉信号为
【权利要求】
1. 一种锁定两束同频率激光到任意位相的方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 、选定一束激光作为辅助光束（3)，利用光学分束器（4)将辅助光束（3)分为两束： 第一辅助光束（5)和第二辅助光束（6); 2) 、将第一被锁定光束（1)与第一辅助光束（5)的相对相位稳定到固定值； 3) 、稳定第二被锁定光束（2)与第二辅助光束（6)的相对相位，通过改变第二解调信号 源（23)的相位，可以将第二被锁定光束（2)与第二辅助光束（6)之间的相对相位稳定到任 意值； 4) 、第一被锁定光束（1)与第二被锁定光束（2)之间的相对相位随步骤3)中第二被锁 定光束（2)与第二辅助光束（6)之间的相对位相改变，从而实现第一被锁定光束（1)与第 二被锁定光束（2)之间的相对相位到任意相位。
2. 如权利要求1所述的一种锁定两束同频率激光到任意位相的方法，其特征在于，所 述的第一被锁定光束（1)和第二被锁定光束（2)的频率相等。
3. 如权利要求1所述的一种锁定两束同频率激光到任意位相的方法，其特征在于，所 述的辅助光束（3)与第一被锁定光束（1)和第二被锁定光束（2)的频率不相等。
4. 如权利要求1所述的一种锁定两束同频率激光到任意位相的方法，其特征在于，所 述的辅助光束（3)可以通过声光调制器移频第一被锁定光束（1)或第二被锁定光束（2)得 至IJ，或用另外一台激光器的输出光来充当。
5. 如权利要求1所述的一种锁定两束同频率激光到任意位相的方法，其特征在于，所 述的辅助光束（3)与第一被锁定光束（1)和第二被锁定光束（2)的频率差在第一探测器 (11)和第二探测器（12)的带宽范围内。
6. 如权利要求1所述的一种锁定两束同频率激光到任意位相的方法，其特征在于，所 述的第一解调信号源（19)和第二解调信号源（23)的输出频率等于第一被锁定光束（1)和 第二被锁定光束（2)与辅助光束（3)的频率差。
【文档编号】H01S3/10GK104332816SQ201410690155
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年11月26日 优先权日:2014年11月26日
【发明者】郑耀辉, 李志秀, 王雅君, 彭堃墀 申请人:山西大学