本發(fā)明屬于聲子激光頻率梳領域，具體涉及一種基于floquet調制的聲子激光頻率梳產(chǎn)生裝置及方法。

背景技術：

1、頻率梳是指一系列在光譜上呈現(xiàn)出梳齒排列的等間距頻率譜線，在量子光學和精密測量領域具有廣泛應用，包括測量原子和分子的能級躍遷，作為超高精度的時間和頻率基準，以及精確測量光速等。聲子頻率梳是頻率梳在聲學領域的類似物，指一種相干聲子態(tài)，表現(xiàn)為一系列等間距的頻率峰。聲子頻率梳的研究和應用正在不斷發(fā)展，為探索新的物理現(xiàn)象和開發(fā)新型量子技術提供了新的可能性。聲子激光頻率梳是指在聲子頻率梳的基礎上，將每個頻率梳齒推向相干態(tài)，達到聲子激光，具有強的相干性和穩(wěn)定性。隨著實驗技術的進步，聲子激光頻率梳在未來可能會在量子計算、精密測量和傳感器技術中發(fā)揮重要作用。

2、頻率梳的產(chǎn)生原理一般是基于非線性效應，利用光與物質的相互作用時產(chǎn)生的非線性效應，例如四波混頻或六波混頻，產(chǎn)生頻率的非線性轉換，從而在頻域上形成多條頻率線。非線性系統(tǒng)的動力學比線性系統(tǒng)更加復雜，容易受到參數(shù)波動和環(huán)境擾動的影響，這會導致穩(wěn)定性降低，以及控制和優(yōu)化的難度增加。同時，非線性轉換過程伴隨著損耗和噪聲增加，限制了頻率梳的性能。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種基于floquet調制的聲子激光頻率梳產(chǎn)生裝置及方法，擺脫了產(chǎn)生聲子頻率梳的系統(tǒng)中所需的強非線性效應，進而使得頻率梳的性能更佳，穩(wěn)定性增加，控制和優(yōu)化的難度降低。

2、本發(fā)明提供了一種基于floquet調制的聲子激光頻率梳產(chǎn)生裝置及方法，包括：調制光路、捕獲光路和三維位移臺，所述調制光路安裝于三維位移臺上，用于使調制光路相對于捕獲光路進行三維移動；

3、所述捕獲光路包括激光器、分束器、光纖三、光纖四以及真空腔體，所述真空腔體內具有微粒，所述激光器發(fā)射的激光經(jīng)過分束器分成功率相同的兩束光，并分別沿著光纖三和光纖四傳播，并從光纖三和光纖四的末端對向出射進入真空腔體，照射向微粒，實現(xiàn)對微粒的穩(wěn)定捕獲；

4、所述調制光路包括泵浦激光器、調制器、信號發(fā)生裝置、波分復用器、增益介質、透鏡一、透鏡二、光纖一和光纖二，所述波分復用器、增益介質、透鏡一、透鏡二、光纖一和光纖二構成環(huán)形腔，所述泵浦激光器發(fā)出的激光通過調制器后進入波分復用器分為方向相反兩束，并經(jīng)過增益介質，在環(huán)形腔中傳播，兩束光分別通過透鏡一和透鏡二匯聚對準后形成內腔光阱，對微粒也具有捕獲光力，所述信號發(fā)生裝置生成floquet調制信號并傳輸至調制器以對光的功率進行周期調制。

5、可選地，所述floquet調制信號的頻率為100hz-20khz。

6、可選地，所述調制器為聲光調制器、電光調制器或磁光調制器。

7、可選地，所述增益介質為摻有稀土元素的光纖，稀土元素為鐿、鉺、銣或銩。

8、可選地，所述增益介質的長度為50cm–80cm。

9、可選地，所述微粒的數(shù)量為一個，直徑為1μm-10μm，折射率大于1。

10、可選地，所述的基于floquet調制的聲子激光頻率梳產(chǎn)生裝置，還包括位置探測器，并對著真空腔體用于探測微粒的位置信號。

11、可選地，所述泵浦激光器輸出激光中心波長為976nm，輸出功率為35mw。

12、一種聲子激光頻率梳產(chǎn)生方法，使用所述的基于floquet調制的聲子激光頻率梳產(chǎn)生裝置，包括如下步驟：

13、打開捕獲光路中的激光器，調整兩束捕獲光對準，實現(xiàn)對微粒的捕獲，再抽氣提高真空腔體中的真空度；

14、打開調制光路中的泵浦激光器，調整透鏡一和透鏡二的位置和俯仰角度，使得兩邊光束對準，實現(xiàn)在內腔光阱中的光功率最大；

15、通過三維位移臺調整調制光路與捕獲光路的相對位置，使得微粒落在調制光路中內腔光阱的指定位置，使得微粒上激發(fā)出聲子激光；

16、通過信號發(fā)生裝置給調制器施加需要梳齒間隔頻率的周期信號，并采用floquet調制技術調制泵浦激光的功率，通過改變施加調制信號的頻率調整梳齒間隔，改變施加調制信號的強度，進而改變調制深度，調整梳齒數(shù)目，實現(xiàn)需要的聲子激光頻率梳。

17、可選地，所述的聲子激光頻率梳產(chǎn)生方法，所述真空腔體中的真空度為200pa-3kpa。

18、本發(fā)明基于以下原理：

19、floquet調制依賴于對系統(tǒng)的時間周期性驅動。通常情況下，可以用哈密頓量來描述一個系統(tǒng)，利用floquet調制之后，系統(tǒng)的哈密頓量變得具有時間周期性，即，其中t是調制的周期。那么描述系統(tǒng)能量的薛定諤方程可以寫為

20、。(1)

21、根據(jù)floquet理論，這個含時的薛定諤方程的波函數(shù)可以寫作

22、，(2)

23、其中ε被稱為準能量，floquet?mode與 h( t)有相同的時間周期性，也就是說。然后將解(2)帶入薛定諤方程，用這種表示法，時間相關的薛定諤方程被映射到一個特征值問題，可得準能量的本征值方程為

24、。(3)

25、將和準能量的本征函數(shù)以頻率進行傅里葉展開：

26、(4)

27、(5)

28、為了將這個含時問題轉化為一個不含時問題，需要在一個廣延的希爾伯特空間里構建出一個無限維的floquet矩陣，用一個時間無關的有效哈密頓函數(shù)來代替描述系統(tǒng)。如果探針在驅動周期的倍數(shù)處，那么時間演化算子可以有給出。

29、從經(jīng)典力學的角度去解釋floquet調制，可以用基于有源懸浮腔光力系統(tǒng)中的聲子激光的floquet調制為例。當系統(tǒng)中的懸浮微粒激發(fā)了聲子激光，在時域上的運動可以簡化為，即一個振幅為 a0，頻率為ω0的簡諧運動。通過一個頻率為ωmod的信號周期性地調制系統(tǒng)中泵浦激光的功率，使得微球的運動相位也受到了相同的周期調制，則微粒的運動描述變化為

30、，(6)

31、其中， η是調制的深度。利用jacobi-anger展開式，可以用第一類貝塞爾函數(shù) jn來描述調制后的微粒運動狀態(tài)為

32、。(7)

33、可以注意到，不斷增加調制深度 η，功率將被用于在 ωl±?n ωmod(n>1)的頻率下產(chǎn)生邊帶| α±n|2。當選取合適的調制深度和調制頻率時，可以實現(xiàn)基于floquet調制的聲子激光頻率梳。

34、本發(fā)明的有益效果是，從原理上擺脫了產(chǎn)生聲子頻率梳的系統(tǒng)中所需的強非線性效應，進而使得頻率梳的性能更佳，穩(wěn)定性增加，控制和優(yōu)化的難度降低。本發(fā)明將floquet調制結合到聲子激光中，利用floquet原理，對系統(tǒng)施加周期性的調制，使得聲子激光的頻率峰兩邊產(chǎn)生多階邊帶，通過調整調制信號的頻率控制邊帶的間距，調整調制信號的強度（即調制深度）控制邊帶的高度，實現(xiàn)聲子激光頻率梳的生成和自由調控。得益于調制信號的頻率和強度的完全可控，頻率梳的梳齒間隔和數(shù)量靈活可控且調節(jié)范圍大。除此以外，本發(fā)明產(chǎn)生的聲子激光頻率梳，相比于傳統(tǒng)聲子頻率梳具有更高的相干性，有助于應用于精密測量和成像等領域?？偨Y來講，本發(fā)明具有結構簡單、重復性好和實用性強等優(yōu)點。此外，本發(fā)明不局限于光阱結構和光路結構，適用范圍更廣。