PDF《实用化多功能光压缩器》

实用化多功能光压缩器

3 郭蕊香 贾晓军 谢常德 彭臆 (山西大学光电研究所 ,量子光学与光量子器件国家重点实验室 ,太原 030006) (2001 年9月24 日收到 ;

2001 年11 月10 日收到修改稿) 激光二极管抽运的 Y APΠ KTP 内腔倍频单频激光器及其抽运的半整块非简并光学参量振荡腔 (NOPO) 被固定在 一体的殷钢底座上构成了全固化多功能光压缩器 ― ― ― Squeezer.

通过控制不同的工作条件 ,在此装置上可以产生多 种类型压缩光 :阈值以上产生约 6dB (74 %) 量子相关孪生光束 ;

在阈值以下 ,通过注入信号光参量缩小过程产生 211dB 明亮正交振幅压缩光 ;

将参量放大器出射的两个频率简并偏振垂直的孪生光束分开 ,获得振幅反关联位相正 关联明亮 EPR 源. 关键词 : 光压缩器 , 光学参量振荡腔(OPO) , 全固化 PACC:

4250 ,

4262 ,

4265 , 4265K

3 国家自然科学基金(批准号 :69837010) 和山西省青年科学基金(批准号 :20001015) 资助的课题.

11 引言具有量子关联特性的非经典光场是量子测量及 量子信息处理的关键光源. 由光学参量振荡腔 (OPO) 所产生的非经典光场已被成功应用于亚散粒 噪声极限光学测量 ,量子非破坏测量 ,量子离物传态 (Quantum Teleportation) 及量子保密通讯等领域 [1 ― 3] . 近年来随着以 EPR ( Einstein2Podolosky2Rosen) 纠缠态 的非局域关联为基础的量子信息科学的迅速发展 , 使可以方便地产生连续变量的 EPR 关联 [1] 的双模 压缩态光场显示出它更广泛的应用前景. 虽然压缩态光场在精密测量和信息科学等领域 展示出诱人的应用前景 ,但目前压缩态光场实际应 用受到产生装置庞大、 操作复杂、 稳定性不理想等因 素严重制约 ,因此实现稳定、 可靠、 易于操作的实用 化压缩光产生器就成为一个重要的研究课题. 随着 大功率激光二极管(LD) 的出现和商品化 ,尤其是产 品化的整块小型 Y AG激光器 [4] 出现为研制

1106 μ m 及其谐波为基础的全固化、 稳定、 小型的压缩光产生 系统奠定了基础 ,德国 Constanz 大学的 Mlynek 小组 采用 这种整块YAG 激光器外腔谐振倍频获得0153 μ m 单频绿光 ,用它抽运由一块 LiNbO3 晶体构 成的 OPO ,分别获得可以长期稳定运转的正交位相 真空压缩光和明亮的正交振幅压缩光 [5 ,6] , 但是 LiNbO3 晶体为 Ⅰ 类匹配晶体 ,两个下转换模无法分 离 ,因而难于在此装置上产生强度差压缩光和明亮 EPR 对 ,限制了它在量子信息领域的进一步应用. 我 们实验室在一系列连续激光二极管抽运的固体激光 器研究基础上 [7] ,将全固化技术与非经典光场产生 技术结合 ,开展了 LD 抽运的非经典光场产生器的 研究 [8 ,9] ,本文报道了全固化的多功能光压缩器的理 论与实验研究结果. 理论分析表明在非简并光学参量振荡腔 (NO2 PO) 中可以产生多种类型非经典光场 ,实验上 ,我们 首先设计完成了全固化 Y APΠ KTP 内腔倍频单频激 光 ,获得功率为 110mW ,波长为 540nm 单频绿光输 出. 由于 Y AP 激光器发出的

11080 μ m 激光可以在 Ⅱ 类非临界相位匹配的 KTP 晶体中实现倍频和简并 的频率下转换 [10] ,用它抽运由α 2切割 KTP 晶体构成 的非简并光学参量振荡腔 ,通过控制不同的运行条 件 ,获得了多种类型的非经典光场 ,完成了多功能光 压缩器的实验研究 :在阈值以上产生近 6dB (74 %) 量子相关孪生光束 ;

在阈值以下 ,通过注入信号光参 量缩小过程产生 211dB 明亮正交振幅压缩光 ,同时 将参量放大器出射的两个频率简并偏振垂直的孪生 光束分开 ,就是进行量子离物传态所必需的量子纠 缠态 ― ― ― 明亮 "EPR" 源[11 ,12] . 因此 ,该非经典光场产 生器 ― ― ― "光压缩器" 必将成为量子测量及量子信息 第51 卷第6期2002 年6月100023290Π 2002Π 51(06)Π

1262206 物理学报ACTA PHYSICA SINICA Vol.

51 ,No.

6 ,June ,2002 ν

2002 Chin. Phys. Soc. 等领域的一个非常有用的工具.

21 在一个装置上实现多种压缩态光场 的理论分析 在OPO 中插入 Ⅱ 类匹配非线性晶体就构成了 NOPO ,理论研究证明在此装置上可以产生多种类型 非经典光场. 图1NOPO 的理论模型 如图

1 所示 NOPO , a0 , a1 , a2 分别代表抽运模 (pump) ,信号模(signal) 和闲置模(idler) ,它们的共振 频率分别是 ω

0 ,ω

1 ,ω

2 . 低于阈值时 ,NOPO 腔的下 转换模在腔内不起振 ,但在 NOPO 腔内注入信号光 , 通过非简并参量相互作用过程实现对注入光的参量 放大和缩小 ,可使被放大或缩小的参量在 45° 方向上 的偏振耦合模噪声被抑制到散粒噪声 (SNL) 以下 , 称为双模正交位相(振幅) 压缩光. 我们定义与 a1 模 夹角成 45° 的d1 , d2 模为偏振耦合模 : d1 =

1 2 ( a1 + a2) , d2 =

1 2 ( a1 - a2 ) , d1 与d2 分别对应两偏振相 互垂直的 "明亮" 模和 "真空" 模 ,它们的正交振幅分 量分别为 Xd1 (ω) =

1 2 d1 (ω) e - iφ + d

3 1 (ω) e iφ , Xd2 (ω) =

1 2 d2 (ω) e - iφ + d

3 2 (ω) e iφ , φ为下转换光平均场的位相 ,φ=

0 偏振耦合模输出 场正交振幅分量起伏为 [12] S out X d1 (Ω) = 〈δX out d1 (Ω)

2 〉 =

1 + 4λ ξ {Ω/γ }

2 + (1 - λ )

2 +

8 T

2 b η

2 ΠT

2 0 (1 - λ )

2 {ΩΠ γ }

2 + (1 - λ )

2 , (1) S out X d2 (Ω) = 〈δX out d2 (Ω)

2 〉 =

1 - 4λ ξ {Ω/γ }

2 + (1 + λ )

2 . (2) λ= ε p ε thres = k α

0 γ 表示相干抽运光场强与 OPO 腔阈 值之比 ,η= β ε thres 为注入信号光场与 OPO 腔阈值 之比 ,ξ= γ c γ b +γ c = Tc L + Tc 为OPO 腔耦合输出效率 , 腔镜损耗速率 γ c 及其他损耗速率γ b 与透射率 Tc 及其他额外损耗 Tb 的关系是 γ c = TcΠ 2τ, γ b = TbΠ 2τ, 其中τ是光束在腔内传播一周的时间 , Tc 是NOPO 腔输出镜对下转换模的透射率 , Tb 可以看作是 NO2 PO 腔中除输出镜透射损耗 Tc 外一切损耗 ,包括另 一腔镜的透射损耗及腔内元件的散射、 衍射、 吸收等 损耗 ,通常称为额外损耗 ,用L表示.γ表示下转换 光的总损耗速率γ= ( T + L)Π 2τ,Ω为分析频率Ω=

2 π ω. 通常耦合到腔内的注入光功率密度与阈值处 腔内抽运光的功率密度之比远远小于 1(σ=

8 T

2 b η

2 Π T

2 0 (1 - λ )

2