一种明亮压缩态光场产生装置的制作方法

本发明涉及量子态光场的产生装置，更具体地说是一种利用原子或类原子相干效应制备明亮压缩态光场的装置。

背景技术：

压缩态光场是一种连续变量非经典光场，在量子精密测量、量子成像、量子计算和量子通讯等领域有重要的应用价值，例如，引力波和弱光谱信号的探测以及连续变量量子信息处理技术。

按光场的平均光子数分类，压缩态光场分为真空压缩态光场和明亮压缩态光场。基于非线性晶体的光学参量放大器opa是目前国际上广泛应用的用于产生明亮压缩态光场的方法，这种方法产生的压缩态光场稳定性好、压缩度高。该方法是将基于非线性晶体的二阶非线性过程置于光学谐振腔中；要实现二阶非线性过程必须满足能量守恒和动量守恒条件，即相位匹配条件；目前常用作实现相位匹配的晶体有周期性极化铌酸锂ppln、周期性极化钽酸锂pplt和周期性极化磷酸钛氧钾ppktp等，这些晶体的透明波段范围为0.35-5μm。由于非线性光学系统的周期性极化，每经过两倍的相干长度就会抵消色散引起的相位变化，从而实现准相位匹配。理论上可以利用较长的晶体来获得较强非线性效应，因此该方法得到了广泛应用。具体的讲，该方法包括两个光学参量振荡腔，即倍频腔和opa腔。首先基频相干场经过倍频腔产生倍频场，其次倍频场作为opa腔的泵浦场，从而在基频相干场同时注入的情况下获得明亮压缩态基频场。两个光学参量振荡腔均需要进行腔长锁定，并且其中的非线性过程均需要满足相位匹配条件。要获得较高压缩度的压缩态光场，倍频腔需要较高的转化效率从而获得较强的倍频场，并且倍频场需要与opa腔进行精确的模式匹配。相关方法在optexpress1998,2(3):59-64,optexpress2016,24(3):2350-2359中有公开报导。但是，该方法受限于晶体的能级，参量过程只能在晶体的透明波段范围内产生。可见，目前压缩态光场的产生方法有一定的局限性，并且装置复杂，技术要求高。

技术实现要素：

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种结构紧凑、易于操作，只需要实现锁定一个谐振腔的明亮压缩态光场产生装置，利用内腔人工原子的相干布居俘获cpt效应产生明亮压缩态光场，在现有压缩光的基础上可制备其它不同波长的压缩光，以期拓宽压缩光的波长范围。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明明亮压缩态光场产生装置的结构特点是：设置内腔cpt效应系统，针对所述内腔cpt效应系统分别设置第一光源和第二光源，所述第一光源为明亮压缩态激光源，所述第二光源为相干态激光源；所述内腔cpt效应系统具有双共振光学谐振腔，在所述双共振光学谐振腔内置有人工原子；利用所述第一光源和第二光源同时与所述光学谐振腔共振，并分别与人工原子的两个跃迁能级共振作用，形成lambda型三能级结构，实现内腔cpt效应，并完成第一光源的量子压缩特性向第二光源转化，实现明亮压缩态光场的制备。

本发明明亮压缩态光场产生装置的结构特点也在于：所述双共振光学谐振腔是由第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜和第四腔镜构成的四镜环形腔，其中，第一腔镜和第三腔镜一一对应为第一光源和第二光源的输入耦合镜，第二腔镜和第四腔镜一一对应为第一光源和第二光源的输出耦合镜；人工原子处在光路中。

本发明明亮压缩态光场产生装置的结构特点也在于：将所述人工原子设置在第三腔镜与第四腔镜之间。

本发明明亮压缩态光场产生装置的结构特点也在于：设置第一腔镜和第三腔镜的入射光光强相等，并有t1＝t3，t2＝t4；t1为第一腔镜对第一光源的透射率，t2为第二腔镜对第一光源的透射率，t3为第三腔镜对第二光源的透射率，t4为第四腔镜对第二光源的透射率；并且：

第一腔镜和第二腔镜对于第二光源反射率不小于99.99％；

第三腔镜和第四腔镜对于第一光源反射率不小于99.99％。

本发明明亮压缩态光场产生装置的结构特点也在于：

设置：t1＝t3＝1％-3％，t2＝t4＝2％-4％。

本发明明亮压缩态光场产生装置的结构特点也在于：针对所述内腔cpt效应系统设置腔长锁定系统，利用腔长锁定系统锁定腔长l为共振腔长，并有：κcpt＜＜κ，κcpt为含有cpt介质的有效腔线宽，κ为空腔线宽。

本发明明亮压缩态光场产生装置的结构特点也在于：在第四腔镜的输出一侧设置平衡零拍探测系统，用于对第四腔镜输出的压缩态光场进行探测。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、由于在人工原子lambda型结构中，一个跃迁能级对应的跃迁频率可以是另一个跃迁频率的两倍，本发明利用人工原子基于基频压缩态光场可获得倍频压缩态光场。

2、本发明利用人工原子实现相应波长的压缩态光场，可以突破非线性晶体能级结构的限制。

3、本发明获得的压缩态光场的频率与人工原子能级共振，直接促进人工原子在量子接口术中的应用。

附图说明

图1本发明明亮压缩态光场产生装置示意图；

图2本发明人工原子的lambda型三能级结构示意图；

具体实施方式

参见图1和图2，本实施例中明亮压缩态光场产生装置的结构形式是：设置内腔相干布居俘获cpt效应系统，即内腔cpt效应系统3，针对内腔cpt效应系统3分别设置第一光源1和第二光源2，第一光源1是波长为λ1的明亮压缩态激光源，第二光源2是波长为λ2的相干态激光源；内腔cpt效应系统3具有双共振光学谐振腔，在双共振光学谐振腔内置有人工原子10；利用第一光源1和第二光源2同时与光学谐振腔共振，并分别与人工原子10的两个跃迁能级共振作用，形成lambda型三能级结构，实现内腔cpt效应，并完成第一光源1的量子压缩特性向第二光源2转化，从而将相干光转变为压缩光，获得波长为λ2的明亮压缩态光场，λ1不等于λ2，实现明亮压缩态光场的制备。

如图1所示，具体实施中，双共振光学谐振腔是由第一腔镜6、第二腔镜7、第三腔镜8和第四腔镜9构成的四镜环形腔，其中，第一腔镜6和第三腔镜8一一对应为第一光源1和第二光源2的输入耦合镜，第二腔镜7和第四腔镜9一一对应为第一光源1和第二光源2的输出耦合镜；人工原子10处在光路中，可以将人工原子10设置在第三腔镜8与第四腔镜9之间，此处光束束宽最宽，光功率密度最小，有利于有效腔线宽κcpt压窄。

本实施例中，设置第一腔镜6和第三腔镜8的入射光光强相等，并有t1＝t3，t2＝t4；

t1为第一腔镜6对第一光源1的透射率，t2为第二腔镜7对第一光源1的透射率，

t3为第三腔镜8对第二光源2的透射率，t4为第四腔镜9对第二光源2的透射率；

并且：

第一腔镜6和第二腔镜7对于第二光源2具有不小于99.99％的超高反射率；第三腔镜8和第四腔镜9对于第一光源1具有不小于99.99％超高反射率；设置：t1＝t3＝1％-3％，t2＝t4＝2％-4％。

图1所示，针对内腔cpt效应系统3设置腔长锁定系统4，利用腔长锁定系统4锁定腔长l为共振腔长，并有：κcpt＜＜κ，κcpt为含有cpt介质的有效腔线宽，κ为空腔线宽，κ至少是κcpt的10倍；在第四腔镜9的输出一侧设置平衡零拍探测系统5，用于对第四腔镜9输出的压缩态光场进行探测。

具体实施中，第一光源1是利用基于非线性晶体的光学参量振荡器实现，已有普遍应用；第二光源2是普通相干态激光源；人工原子10可以来自不对称的半导体量子阱，可以形成大波长差的lambda型三能级结构，其对应的波长可以通过操控半导体加工过程进行调控。以图2所示的lambda型三能级结构的人工原子为例，频率为ν1的第一光源1与跃迁能级|1>→|3>耦合，频率为ν2的第二光源2与跃迁能级|2>→|3>耦合，相同强度的两光束与人工原子相互作用，形成cpt效应；光学谐振腔的腔长l需要满足：l＝mc/(ν2-ν1)，m为正整数，c为光速，以此保证两束光同时共振。m的取值依赖于系统中人工原子和各腔镜的几何尺寸。