本申请涉及光学，特别涉及一种操纵及调控量子压缩态光场带宽的装置及方法。
背景技术：
1、压缩态光场作为一种重要的量子光源，被广泛应用于量子信息处理、量子计算和量子通信等研究领域。通过非线性光学器件，可以在不违背量子力学不确定性原理的前提下，减少某一分量的量子噪声。压缩态光场在量子精密测量中具有广泛的应用，尤其是在提高测量精度和灵敏度方面。通过利用压缩态的特性，减少探测过程中噪声的影响，从而提高信噪比（snr）。压缩带宽作为评估压缩态光场的重要指标，反映了压缩态在一定频率范围内的有效性，进而直接影响到光场在精密测量中的表现。然而，在某些特定的应用中，例如，原子吸收和自发辐射光谱测量、引力波的探测等过程中，压缩带宽的操纵是不可避免的。目前，压缩光场带宽操纵的实验均依赖于额外的光学器件，例如：长的光学滤波腔，电磁诱导透明介质，光机耦合系统，这不可避免的会引入额外的损耗，同时在实验系统的复杂性和成本上都面临挑战。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本申请提出了一种操作便捷方便，可以不引入额外的光学器件、低损耗的操纵及调控量子压缩态光场带宽的装置及方法。
2、本申请采用的技术方案为：一种操纵及调控量子压缩态光场带宽的装置，包括光学模块、数据采集模块和数据处理模块，光学模块用于制备压缩光，包括激光准备部分、光场分束回路、双色镜、压缩光产生回路、辅助控制光调制回路、探测光产生回路和量子噪声测量部分，激光准备部分生成第一激光和第二激光，第一激光经光场分束回路后分为三束光，种子光、辅助控制光和探测光，第二激光作为泵浦光与种子光在双色镜上耦合后注入压缩光产生回路制备压缩光；
3、辅助控制光经辅助控制光调制回路后与压缩光在第一分束镜上干涉，耦合后的光束经过环形滤波腔进行压缩光场的上下边带分离；
4、探测光经探测光产生回路后生成与压缩光上下边带同频的两束本底探测光，两束本底探测光分别与压缩光的上下边带在第二分束镜上干涉，然后注入量子噪声测量部分探测压缩光场的量子噪声；
5、数据采集模块用于采集探测到的量子噪声的时域信号以及频域信号；
6、数据处理模块采用lpsd算法对量子噪声进行处理得到光场的关联/反关联噪声功率谱密度；从而得到光场的噪声方差，并通过引入色散函数，在光场中引入频率依赖的相移，对得到的噪声方差进行处理，即可实现压缩态光场的带宽操纵。
7、进一步地，第一激光先经电光相位调制器后进入光场分束回路，光场分束回路包括第一半波片、第二半波片、第一偏振分束棱镜和第二偏振分束棱镜，其中电光相位调制器输出的激光经过第一半波片、第一偏振分束棱镜后分为两束，一束为探测光，另一束经过第二半波片、第二偏振分束棱镜后分为两束，一束为种子光，另一束为辅助控制光。
8、进一步地，压缩光产生回路包括光学参量放大器和法拉第隔离器，经双色镜耦合后的激光注入光学参量振荡器制备压缩光，输出的光场经过法拉第隔离器输出。
9、进一步地，辅助控制光调制回路包括级联的第一声光调制器、第二声光调制器和第一波导相位调制器，辅助控制光，经过级联的第一声光调制器、第二声光调制器进行调制，后经过第一波导相位调制器进行相位调制，经高反镜后，与压缩光在第一分束镜上干涉，并通过光电探测器锁定两束光的相对位相。
10、进一步地，探测光产生回路包括第二波导相位调制器和两个级联的第一光学模式清洁器和第二光学模式清洁器，探测光经过第二波导相位调制器进行调制，生成与压缩光上下边带同频的相干调制光场，后使用级联的第一光学模式清洁器和第二光学模式清洁器进行上下边带分离，生成与压缩光上下边带分别同频的单色的第一本底探测光和第二本底探测光。
11、进一步地，量子噪声测量部分包括第一平衡零拍探测器和第二平衡零拍探测器，第一本底探测光与压缩光的上或下边带在第二分束镜上干涉，后注入第一平衡零拍探测器探测压缩光的量子噪声，第二本底探测光与压缩光的下或上边带在第二分束镜上干涉，后注入第二平衡零拍探测器探测压缩光的量子噪声。
12、进一步地，数据采集模块包括三个功分器、一个加法器、一个示波器和一个频谱分析仪，第一平衡零拍探测器采集到的ac信号通过第一功分器分为两束，一束直接接入示波器的通道探测上边带光场噪声的时域信号，第二平衡零拍探测器采集到的ac信号通过第二功分器分为两束，一束直接接入示波器的通道探测下边带光场噪声的时域信号，第一功分器和第二功分器的另一束通过加法器进行相加之后，再通过第三功分器分为两束，分别接入示波器的通道和频谱分析仪，采集两束信号相加后的时域信号和频域信号。
13、进一步地，泵浦光与种子光在双色镜上耦合时通过移相器控制种子光与泵浦光之间的相对位相，操纵压缩角。
14、进一步地，第一分束镜采用1:99分束镜，第二分束镜采用50:50分束镜。
15、一种操纵及调控量子压缩态光场带宽的方法，采用所述的操纵及调控量子压缩态光场带宽的装置，包括以下步骤：
16、通过激光准备部分生成第一激光和第二激光，第二激光作为泵浦光直接注入光学参量振荡器中；第一激光经半波片和偏振分束棱镜调节偏振和功率后分为三束光：第一束光作为种子光注入光学参量振荡器，用于制备明亮的载波压缩态光场及大量的真空纠缠边带模式；第二束光作为辅助控制光经两个级联的声光调制器制备移频光场，后经过第一波导相位调制器调制生成与纠缠边带同频的相干光场，与压缩光在1:99分束镜上耦合，用于操纵环形滤波腔的腔长，进行真空纠缠边带模式的分离，使上边带模式透射，下边带模式反射；探测光作为本底振荡光，经过第二波导相位调制器调制后，生成与纠缠边带模式同频的上下边带，使用两个级联的光学模式清洁器进行空间分离；
17、将分离后的纠缠边带模式的上下边带分别与同频的本底振荡光在50:50分束镜上干涉，注入两个平衡零拍探测器，分别探测上下边带模式的光场量子噪声；
18、将平衡零拍探测器探测到的交流信号进行分束及合束，使用示波器及频谱分析仪分别探测光场量子噪声的时域信号及频域信号；
19、对采集到的时域信号通过lpsd算法进行后处理，得到上下边带模式的噪声方差；在上下边带模式的噪声方差中引入差分的频率依赖的相移；通过调节差分相移的各项参数，并对上下边带模式采集到的信号进行联合处理，得到任意频率处的带宽可调的压缩态光场。
20、本申请相对于现有技术具备的有益效果为：本申请利用两个平衡零拍探测器bhd分别探测基于压缩载波对称的上下边带模式的噪声方差，之后使用示波器及频谱分析仪分别探测其时域信号和频域信号，得到宽带的压缩态光场噪声分布。对采集到的时域信号利用lpsd算法进行后处理，在上边带模式中引入频率依赖的差分相移，即可实现等效于低通滤波、高通滤波及带通滤波效果的压缩带宽的操纵。该装置简单，操作方便，且无需额外的光学器件，可以实现压缩态光场带宽的任意操纵。
1.一种操纵及调控量子压缩态光场带宽的装置，其特征在于：包括光学模块、数据采集模块和数据处理模块，光学模块用于制备压缩光，包括激光准备部分（1）、光场分束回路、双色镜（9）、压缩光产生回路、辅助控制光调制回路、探测光产生回路和量子噪声测量部分，激光准备部分（1）生成第一激光和第二激光，第一激光经光场分束回路后分为三束光，种子光、辅助控制光和探测光，第二激光作为泵浦光与种子光在双色镜（9）上耦合后注入压缩光产生回路制备压缩光；
2.根据权利要求1所述的一种操纵及调控量子压缩态光场带宽的装置，其特征在于：第一激光先经电光相位调制器（4）后进入光场分束回路，光场分束回路包括第一半波片（5）、第二半波片（7）、第一偏振分束棱镜（6）和第二偏振分束棱镜（8），其中电光相位调制器（4）输出的激光经过第一半波片（5）、第一偏振分束棱镜（6）后分为两束，一束为探测光，另一束经过第二半波片（7）、第二偏振分束棱镜（8）后分为两束，一束为种子光，另一束为辅助控制光。
3.根据权利要求1所述的一种操纵及调控量子压缩态光场带宽的装置，其特征在于：压缩光产生回路包括光学参量放大器（11）和法拉第隔离器（12），经双色镜（9）耦合后的激光注入光学参量振荡器（11）制备压缩光，输出的光场经过法拉第隔离器（12）输出。
4.根据权利要求1所述的一种操纵及调控量子压缩态光场带宽的装置，其特征在于：辅助控制光调制回路包括级联的第一声光调制器（13）、第二声光调制器（14）和第一波导相位调制器（15），辅助控制光，经过级联的第一声光调制器（13）、第二声光调制器（14）进行调制，后经过第一波导相位调制器（15）进行相位调制，经高反镜（16）后，与压缩光在第一分束镜上干涉，并通过光电探测器（18）锁定两束光的相对位相。
5.根据权利要求1所述的一种操纵及调控量子压缩态光场带宽的装置，其特征在于：探测光产生回路包括第二波导相位调制器（20）和两个级联的第一光学模式清洁器（21）和第二光学模式清洁器（22），探测光经过第二波导相位调制器（20）进行调制，后使用级联的第一光学模式清洁器（21）和第二光学模式清洁器（22）进行上下边带分离，生成与压缩光上下边带同频的单色的第一本底探测光（23）和第二本底探测光（24）。
6.根据权利要求5所述的一种操纵及调控量子压缩态光场带宽的装置，其特征在于：量子噪声测量部分包括第一平衡零拍探测器（25）和第二平衡零拍探测器（26），第一本底探测光（23）与压缩光的上或下边带在第二分束镜上干涉，后注入第一平衡零拍探测器（25）探测上边带光场的量子噪声，第二本底探测光（24）与压缩光的下或上边带在第二分束镜上干涉，后注入第二平衡零拍探测器（26）探测下边带光场的量子噪声。
7.根据权利要求6所述的一种操纵及调控量子压缩态光场带宽的装置，其特征在于：数据采集模块包括三个功分器、一个加法器、一个示波器和一个频谱分析仪，第一平衡零拍探测器（25）采集到的ac信号通过第一功分器分为两束，一束直接接入示波器的通道1探测上边带光场噪声的时域信号，第二平衡零拍探测器（26）采集到的ac信号通过第二功分器分为两束，一束直接接入示波器的通道2探测下边带光场噪声的时域信号，第一功分器和第二功分器的另一束通过加法器进行相加之后，再通过第三功分器分为两束，分别接入示波器的通道3和频谱分析仪，采集两束信号相加后的时域信号和频域信号。
8.根据权利要求1所述的一种操纵及调控量子压缩态光场带宽的装置，其特征在于：泵浦光与种子光在双色镜（9）上耦合时通过移相器（10）控制种子光与泵浦光之间的相对位相，操纵压缩角。
9.根据权利要求1所述的一种操纵及调控量子压缩态光场带宽的装置，其特征在于：第一分束镜采用1:99分束镜（17），第二分束镜采用50:50分束镜。
10.一种操纵及调控量子压缩态光场带宽的方法，采用如权利要求1-9任一项所述的操纵及调控量子压缩态光场带宽的装置，其特征在于：包括以下步骤：