專利名稱：一種半導(dǎo)體激光泵浦的量子光源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及量子通信與精密測量技術(shù)領(lǐng)域的量子光源裝置，特別涉及ー種半導(dǎo)體激光系統(tǒng)泵浦的量子光源裝置。
背景技術(shù)：
目前，高品質(zhì)量子光源已成為量子通信與精密測量中必不可少的組成部分。例如，利用低頻壓縮態(tài)進(jìn)行引力波探測可以極大程度地提高測量的靈敏度。隨著量子光學(xué)實驗與技術(shù)的不斷發(fā)展，便攜式量子光源裝置未來將具有極廣泛的應(yīng)用前景。近年來，利用光腔中的光學(xué)參量振蕩和光學(xué)參量放大過程已成為制備量子壓縮態(tài)最常用 的方法。利用光學(xué)參量振蕩過程人們已經(jīng)制備了 _11.5dB的壓縮態(tài)。但是，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且光腔易受外界環(huán)境干擾。此外，利用原子蒸汽中的四波混頻過程也可以制備壓縮態(tài)，但傳統(tǒng)方式受原子自發(fā)輻射影響較大，目前最大只獲得了 -2.2 dB的壓縮度。2007年美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局的Paul D. Lett教授提出利用85Rb原子雙“
”能級結(jié)構(gòu)的非簡并四波混頻過程產(chǎn)生強(qiáng)度差壓縮態(tài)，并獲得了低頻至2. 5kHz最大壓縮度為-8.8 dB的壓縮態(tài)。此后，Paul D. Lett教授研究小組利用此系統(tǒng)進(jìn)行了糾纏可控延時和糾纏低噪聲放大等一系列工作，但所有實驗均使用價格昂貴、體積龐大、操作復(fù)雜的鈦寶石激光器作為泵浦源。由于半導(dǎo)體激光器低頻處技術(shù)噪聲較大，截至目前為止還沒有獲得低頻至kHz量級的壓縮態(tài)，且最大壓縮度也只有-2. 5 dB。本實用新型克服現(xiàn)有技術(shù)中的傳統(tǒng)制備方式壓縮度較小、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、易受環(huán)境影響等缺陷，提出了一種半導(dǎo)體激光泵浦的量子光源裝置，可獲得低頻至8kHz最大壓縮度為_7 dB的強(qiáng)度差壓縮，且系統(tǒng)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、易于集成。

實用新型內(nèi)容本實用新型提出的半導(dǎo)體激光泵浦的量子光源裝置，包括半導(dǎo)體激光器，反射鏡，1/2波片,極化分束器,聲光調(diào)制器，1/4波片,半導(dǎo)體激光放大器,格蘭激光棱鏡，銣池，格蘭湯姆森棱鏡，光束收集器。其中，所述第一反射鏡設(shè)置在半導(dǎo)體激光器上方，所述第一極化分束器設(shè)置在所述第一反射鏡后方。第一極化分束器之后依次設(shè)置第二極化分束器、聲光調(diào)制器、1/4波片、第二反射鏡。第二極化分束器的下方設(shè)置第二 1/2波片、第三反射鏡。第三反射鏡之后依次設(shè)置格蘭激光棱鏡、銣池、格蘭湯姆森棱鏡、光束收集器。所述第一極化分束器的下方設(shè)置第四反射鏡；第四反射鏡之后依次設(shè)置半導(dǎo)體激光放大器、第五反射鏡。進(jìn)ー步包括,設(shè)置在第一反射鏡與第一極化分束器之間的第一 1/2波片。進(jìn)ー步包括，設(shè)置在第二 1/2波片和第三反射鏡之間的第一透鏡組。進(jìn)ー步包括，設(shè)置在第五反射鏡和格蘭激光棱鏡之間的第二透鏡組。其中，所述格蘭激光棱鏡設(shè)置在量子光源裝置的中心。半導(dǎo)體激光放大器設(shè)置在所述量子光源裝置的最下方。[0010]其中，所述半導(dǎo)體激光器及半導(dǎo)體激光放大器為泵浦源。本實用新型使用半導(dǎo)體激光器及半導(dǎo)體激光放大器作為泵浦源，利用85Rb原子雙“八”能級結(jié)構(gòu)的非簡并四波混頻過程產(chǎn)生強(qiáng)度差壓縮態(tài)，不僅可以獲得-7 dB的壓縮度，而且在低頻8kHz處仍能觀察到壓縮，且系統(tǒng)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、易于集成。本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是利用85Rb原子雙“へ”能級結(jié)構(gòu)的非簡并四波混頻過程產(chǎn)生ー對強(qiáng)度關(guān)聯(lián)的孿生光束，這兩束光的強(qiáng)度差噪聲低于標(biāo)準(zhǔn)量子極限。將泵浦光頻率設(shè)定至85Rb原子Dl線 5SW ^cJPv2s^Snm)藍(lán)失諧O. 8GHz處，
遠(yuǎn)離85Rb原子的多普勒展寬，可以有效避免泵浦光自發(fā)輻射對探測結(jié)果的影響。本實用新型未使用光腔，減少了外界環(huán)境抖動對系統(tǒng)的影響，其多模特性也使其成為理想的量子成像光源。本實用新型用半導(dǎo)體激光器及放大器作為光源替代體積龐大、價格昂貴的鈦寶石激光器，具有價格較低、結(jié)構(gòu)簡單、易于集成等優(yōu)點，為便攜式量子光源的實現(xiàn)提供了可能。

圖I為本實用新型量子光源裝置的示意圖。圖2為本實用新型量子光源裝置的示意圖。圖3為本實用新型的85Rb原子雙“ Λ ”結(jié)構(gòu)及非簡并四波混頻過程的示意圖。圖4為本實用新型得到的量子光源的信號噪聲功率/頻率圖，其中，曲線(a)為標(biāo)準(zhǔn)量子極限，曲線(b)為信號噪聲功率。圖5為本實用新型得到的量子光源信號噪聲功率/頻率圖，其中，曲線(a)為標(biāo)準(zhǔn)量子極限，曲線(b)為信號噪聲功率。
具體實施方式
結(jié)合以下具體實施例和附圖，對本發(fā)明作進(jìn)ー步的詳細(xì)說明，本發(fā)明的保護(hù)內(nèi)容不局限于以下實施例。在不背離發(fā)明構(gòu)思的精神和范圍下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠想到的變化和優(yōu)點都被包括在本發(fā)明中，并且以所附的權(quán)利要求書為保護(hù)范圍。如圖1-2所示，I-半導(dǎo)體激光器，21、22、23、24、25_反射鏡，31、32-1/2波片，41、42-極化分束器，5-聲光調(diào)制器,6-1/4波片，7-半導(dǎo)體激光放大器,81、82_透鏡組,9-格蘭激光棱鏡，10-銣池，11-格蘭湯姆森棱鏡，12-光束收集器，131、132-探測器，14-減法器，15-頻譜分析儀。本實用新型半導(dǎo)體激光泵浦源的量子光源裝置，如圖I所示，包括半導(dǎo)體激光器1，第一反射鏡21,第一極化分束器41,設(shè)置在第一極化分束器41后方的第二極化分束器42,聲光調(diào)制器5,1/4波片6,第二反射鏡22,第二 1/2波片32,半導(dǎo)體激光放大器7,格蘭激光棱鏡9,銣池10,格蘭湯姆森棱鏡11,光束收集器12。第一反射鏡21設(shè)置在半導(dǎo)體激光器I上方，第一極化分束器41設(shè)置在第一反射鏡21之后。如圖I所示的光路圖，半導(dǎo)體激光器I為泵浦源，發(fā)出一束波長為795nm功率為
90mff的光，激光頻率為85Rb原子Dl線(5 45 J95nm)藍(lán)失諧O. 8GHz，激光線寬為
IOOkHz0該激光束依次經(jīng)過第一反射鏡21、第一極化分束器41。第一極化分束器41將該激光束分為不同方向的兩路光束其ー是功率為50mW的水平偏振光，另一光束是功率為40mW的垂直偏振光。優(yōu)選地，如圖2所示，在第一反射鏡21與第一極化分束器41之間設(shè)置第一 1/2波片31。第一 1/2波片31與第一極化分束器41配合調(diào)節(jié)激光器分光比。一路光束，即功率為50mW的水平偏振光，依次經(jīng)第二極化分束器42、頻率紅移
I.52GHz的聲光調(diào)制器5、1/4波片6、第二反射鏡22，經(jīng)第二反射鏡22改變光束方向之后，再依次經(jīng)過1/4波片6、頻率紅移I. 52GHz的聲光調(diào)制器5、第二極化分束器42之后，變成功率為50 μ W、頻率紅移3. 04GHz的垂直偏振光。該垂直偏振光光束依次經(jīng)過設(shè)置在第二極化分束器42下方的第二 1/2波片32轉(zhuǎn)化為水平偏振光，并調(diào)節(jié)其功率至15 μ W，作為探針光。探針光經(jīng)設(shè)置在第二極化分束器42下方的第三反射鏡23改變光束方向，射至格蘭激光棱鏡9。另一路光束，即功率為40mW的垂直偏振光，依次經(jīng)過設(shè)置在第一極化分束器41下方的第四反射鏡24、半導(dǎo)體激光放大器7之后，其功率達(dá)到400mW，作為泵浦光。泵浦光經(jīng)設(shè)置在半導(dǎo)體激光放大器7之后的第五反射鏡25改變光束方向，射至格蘭激光棱鏡9。優(yōu)選地，半導(dǎo)體激光放大器7設(shè)置在本實用新型量子光源裝置的最下方。格蘭激光棱鏡9使上述探針光和泵浦光在銣池10中心以5mrad相交。格蘭激光棱鏡9設(shè)置在第三反射鏡23和銣池10之間，銣池10設(shè)置在格蘭激光棱鏡9的后方。優(yōu)選地，格蘭激光棱鏡9設(shè)置在本實用新型量子光源裝置的中心位置。優(yōu)選地，設(shè)置第一透鏡組81、第二透鏡組82用于調(diào)節(jié)光的腰斑尺寸。如圖2所示，在探針光光路中，即在第二 1/2波片32與第三反射鏡23之間設(shè)置第一透鏡組81。在泵浦光光路中，即在第五反射鏡25與格蘭激光棱鏡9之間設(shè)置第二透鏡組82。利用第一透鏡組81將探針光腰斑調(diào)節(jié)至330 μ m,利用第二透鏡組82將泵浦光腰斑調(diào)節(jié)至530 μ m,利用格蘭激光棱鏡9使泵浦光與探針光以O(shè). 3°在銣池10中心以5mrad相交叉，以保證泵浦光在整個銣池10內(nèi)都包裹住探針光。根據(jù)四波混頻原理及上述實驗條件，經(jīng)過銣池10后，探針光的功率被放大至123 μ W，同時新產(chǎn)生一束同樣為水平偏振功率為IllyW的共軛光，如圖I、2中的虛線所示。探針光與共軛光對稱分布于泵浦光的兩側(cè)，滿足相位匹配條件。格蘭湯姆森棱鏡11設(shè)置在銣池10的后方，其消光比為IO5:1，可以消去大部分泵浦光。光束收集器12設(shè)置在格蘭湯姆森棱鏡11的后方，用來擋住剩余的泵浦光。由于探針光與共軛光為水平偏振光，格蘭湯姆森棱鏡11則不會對其產(chǎn)生影響。用探測器131、132，減法器14，頻譜分析儀15檢測本實用新型裝置所得到的量子光源，如圖2所示，第一探測器131、第二探測器132分別設(shè)置在共軛光和探針光的正后方，用于將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。減法器14設(shè)置于第一探測器131、第二探測器132之后并與兩者相連，將兩個電信號相減。頻譜分析儀15置于減法器14之后并與其相連，輸出信號的噪聲功率譜。將探針光和共軛光擋住，并將一束功率為234 μ W的相干光分為功率相等的兩束光分別注入至第一探測器131、第二探測器132，經(jīng)減法器14和頻譜分析儀15，得到的即為此最子光源的標(biāo)準(zhǔn)量子極限。如圖3所示，5S1/2、5P1/2為85Rb原子的精細(xì)結(jié)構(gòu)，F(xiàn)=2、F=3為精細(xì)結(jié)構(gòu)5S1/2的超精細(xì)分裂，其能級差為3. 036GHz。泵浦光頻率為85Rb原子Dl線C SSy2 5Ρψ J95nm )藍(lán)失諧0.8GHz。虛線所示為85Rb原子的虛能級，能級差同樣為3. 036GHz。在非簡并四波混頻過程中，一束相對于泵浦光紅失諧3. 04GHz的弱探針光與強(qiáng)泵浦光相互作用，探針光功率被增強(qiáng)，同時產(chǎn)生一束與探針光功率基本相等相對于泵浦光藍(lán)失諧3. 04GHz的共軛光。本實用新型有益效果，如圖4所示，曲線(a)為標(biāo)準(zhǔn)量子極限，曲線(b)為信號噪聲功率，可以看出在O. 4MHz—IOMHz信號噪聲功率都處于標(biāo)準(zhǔn)量子極限下方，即利用本實用新型實現(xiàn)了壓縮態(tài)，其中2MHz處獲得-7dB的最大壓縮度。如圖5所示，曲線(a)為標(biāo)準(zhǔn)量子極限，曲線(b)為信號噪聲功率，可以看出除幾個尖峰外，從SkHz開始信號噪聲功率始終
處于標(biāo)準(zhǔn)量子極限下方，即利用本實用新型獲得了低頻至8kHz的強(qiáng)度差壓縮。
權(quán)利要求1.一種半導(dǎo)體激光泵浦的量子光源裝置，其特征在于，包括半導(dǎo)體激光器(1)，反射鏡(21、22、23、24、25)，第二 1/2波片(32)，極化分束器(41、42)，聲光調(diào)制器(5)，1/4波片(6),半導(dǎo)體激光放大器(7)，格蘭激光棱鏡(9)，銣池(10 )，格蘭湯姆森棱鏡(11)，光束收集器(12)，其中， 所述第一反射鏡(21)設(shè)置在所述半導(dǎo)體激光器(I)的上方； 所述第一極化分束器(41)設(shè)置在所述第一反射鏡(21)的后方； 所述第一極化分束器(41)之后依次設(shè)置所述第二極化分束器(42)、所述聲光調(diào)制器(5 )、所述1/4波片(6 )、所述第二反射鏡(22 ); 所述第二極化分束器(42)的下方依次設(shè)置所述第二 1/2波片(32)、所述第三反射鏡(23)； 所述第三反射鏡(23)之后依次設(shè)置所述格蘭激光棱鏡(9)、所述銣池(10)、所述格蘭湯姆森棱鏡(11)、所述光束收集器(12)； 所述第一極化分束器(41)的下方設(shè)置所述第四反射鏡(24)； 所述第四反射鏡(24)之后依次設(shè)置所述半導(dǎo)體激光放大器(7)、所述第五反射鏡(25)。
2.如權(quán)利要求I所述半導(dǎo)體激光泵浦的量子光源裝置，其特征在干，進(jìn)ー步包括設(shè)置在所述第一反射鏡(21)與第一極化分束器(41)之間的第一 1/2波片(31)。
3.如權(quán)利要求I所述半導(dǎo)體激光泵浦的量子光源裝置，其特征在干，進(jìn)ー步包括設(shè)置在所述第二 1/2波片(32)與第三反射鏡(23)之間的第一透鏡組(81)。
4.如權(quán)利要求I所述半導(dǎo)體激光泵浦的量子光源裝置，其特征在干，進(jìn)ー步包括設(shè)置在所述第五反射鏡(25)與格蘭激光棱鏡(9)的第二透鏡組(82)。
5.如權(quán)利要求I所述半導(dǎo)體激光泵浦的量子光源裝置，其特征在于，所述格蘭激光棱鏡(9)設(shè)置在所述量子光源裝置的中心。
6.如權(quán)利要求I所述半導(dǎo)體激光泵浦的量子光源裝置，其特征在于，所述半導(dǎo)體激光放大器(7)設(shè)置在所述量子光源裝置的最下方。
7.如權(quán)利要求I所述的量子光源裝置，其特征在于，所述半導(dǎo)體激光器(I)及所述半導(dǎo)體激光放大器(7)為泵浦源。
專利摘要本實用新型公開了一種半導(dǎo)體激光泵浦的量子光源裝置，包括半導(dǎo)體激光器，反射鏡，1/2波片，極化分束器，聲光調(diào)制器，1/4波片，半導(dǎo)體激光放大器，格蘭激光棱鏡，銣池，格蘭湯姆森棱鏡，光束收集器。本實用新型裝置結(jié)構(gòu)緊湊，系統(tǒng)穩(wěn)定，易于集成，可以獲得低頻至8kHz最大壓縮度為-7dB的強(qiáng)度差壓縮。本實用新型為便攜式量子光源的實現(xiàn)提供了可能，將大大擴(kuò)展高品質(zhì)量子光源在量子通信和精密測量中的應(yīng)用。
文檔編號H01S3/10GK202434881SQ20112053854
公開日2012年9月12日 申請日期2011年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月21日
發(fā)明者劉寸金, 周君, 周志凡, 崔連敏, 張衛(wèi)平, 秦忠忠, 荊杰泰 申請人:華東師范大學(xué)