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《山西大学》 2018年
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铯原子D2线低频压缩真空光场的实验制备

田剑锋  
【摘要】:随着现代科技的高速发展,光学测量作为最灵敏的探测手段已经广泛应用到微弱信号检测的许多领域,而且经过长时间的发展,在许多方面已经达到或者接近量子噪声水平。要进一步提高测量精度或者灵敏度,寻求突破量子噪声极限就成为越来越重要的研究课题。突破光的量子噪声极限的一个有效方法是利用压缩态非经典光场。对应于碱金属原子吸收线的压缩态光场可以广泛应用于量子光学的诸多研究领域中,如量子存储、光与原子相互作用、原子系综之间的纠缠、超越经典极限的光谱测量以及提高某些物理量的测量精度等等。实验中,一方面需要提高压缩态光场的压缩度,可以应用于更精确的科研领域。另一方面,因为特定被测物理量的需要,对压缩光的测量频率也提出了要求。比如在弱磁场以及引力波探测中,往往需要在极低的频率上(Hz量级)进行测量。在如此低频率上制备压缩光需要克服很多的技术噪声,面临很大的挑战。基于此,本文主要利用PPKTP晶体的二阶非线性效应,开展了对应于铯原子D2线低频压缩真空光场产生的理论和实验研究,主要内容如下:1)介绍了压缩光,特别是原子线附近低频压缩光的研究进展,以及正交分量压缩的基本理论;2)系统研究了倍频过程中光吸收诱发的热效应,给出了高效的四镜环形倍频腔以及半整块倍频腔较为完整的设计方法。实验中,利用钛宝石激光器产生对应于铯原子D2线的基频光,通过内置PPKTP非线性晶体的谐振外腔倍频过程实现426 nm的蓝光输出。对于四镜环形腔,在功率为310 mW时,获得了210 mW的倍频输出,对应倍频转化效率约为67%。而对于半整块腔倍频,当基频光功率为305 mW时,可以获得117 mW的倍频蓝光;当基频光功率降低为172 mW时,倍频效率最高达到42%;当蓝光功率为84.5 mW时,1小时内其功率起伏为0.48%。3)声频波段压缩真空的产生:激光光源锁定于铯原子D2线,利用倍频获得的蓝光泵浦光学参量振荡器(OPO),在腔长精确锁定的情况下,通过低于阈值自发参量下转换过程获得了-3.5 dB单模压缩真空态光场。采用量子噪声锁定技术实现了压缩真空态光场与本底相干态光场的相对位相锁定,最后使用自制的低频、低噪声量子噪声探测器观察到频率低至2.5 kHz的压缩真空。4)理论上分析了限制低频压缩光制备及测量过程中可能存在的噪声源,包括:本底光强度噪声、光束抖动噪声、散射光、光电探测器的电子噪声、光电二极管1/f噪声、光电二极管的热噪声以及非稳态噪声,并对实验系统存在的低频段噪声作了详细的讨论。上述工作的创新之处有以下几点:1)对倍频过程中光吸收诱发的热效应进行了研究,给出了高效率四镜环形倍频腔和半整块倍频腔较为完整的设计方法。采用大于2倍“优化”聚焦的倍频实验方案,搭建了高转化效率的四镜环形腔和半整块倍频腔,获得了稳定的426 nm高功率倍频蓝光输出。2)通过低于阈值自发参量下转换过程获得了对应于铯原子D2线-3.5 dB的真空压缩态光场,并且理论上分析了进一步提高压缩度的限制因素。3)采用量子噪声锁定技术实现了低频压缩真空态光场与本底相干态光场的相对位相锁定,使用自制的低频量子噪声探测器观察到目前的实验系统压缩光测量频率低至2.5 kHz,最大压缩度为3.5 dB,反压缩度约为7.5 dB。
【学位授予单位】:山西大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:O431.2

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【参考文献】
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