[發(fā)明專利]一種量子光纖干涉儀

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610551893.8
• 申請(qǐng)日: 2016-07-13
• 公開（公告）號(hào): CN106225666B
• 公開（公告）日: 2017-05-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉芳;張勇;肖士雄;郭佳樂;魏丹;肖敏
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B9/02
• 分類號(hào): G01B9/02
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙)32204
• 代理人: 柏尚春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種量子光纖干涉儀。

背景技術(shù)

在精密測(cè)量領(lǐng)域，對(duì)于很多物理量的測(cè)量都?xì)w結(jié)為對(duì)相位的測(cè)量，因而干涉儀成為精密測(cè)量中最為常見的實(shí)驗(yàn)裝置，在基礎(chǔ)科學(xué)研究(如基本物理常數(shù)的測(cè)量)以及實(shí)際工程應(yīng)用(如導(dǎo)航定位、資源勘探)中都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。目前，用于引力波探測(cè)的長(zhǎng)基線激光干涉儀，其靈敏度達(dá)到～10^-23εHz^-1/2，是目前靈敏度最高的干涉儀。然而這種自由空間型干涉儀構(gòu)造復(fù)雜且體積龐大，易受環(huán)境溫度、聲音和振動(dòng)的影響，使得干涉測(cè)量不穩(wěn)定、調(diào)整較困難，限制了它在工業(yè)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。相比之下光纖型干涉儀可減少干涉儀的長(zhǎng)臂安裝和校準(zhǔn)的固有困難，并可使干涉儀小型化；另外可通過加長(zhǎng)光纖使干涉光路的響應(yīng)靈敏度增加。同時(shí)光纖干涉儀還可利用光纖對(duì)某些物理量的敏感特性，從而作為傳感元件來探測(cè)許多物理量如位移、應(yīng)變、磁場(chǎng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等。鑒于體積小，易搭建，靈敏度高，頻帶寬且抗電磁干擾等諸多優(yōu)點(diǎn)，光纖型干涉儀廣泛應(yīng)用于航天航海等諸多領(lǐng)域。

干涉儀的測(cè)量精度取決于系統(tǒng)的噪聲和探測(cè)態(tài)的量子漲落，后者決定了測(cè)量精度的最終極限。由電磁場(chǎng)的真空起伏引入的真空噪聲是一種典型的量子噪聲，導(dǎo)致待測(cè)量的測(cè)量精度存在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)量子極限，這是通常采用經(jīng)典光源所能達(dá)到的極限。而通過使用量子探測(cè)態(tài)，如壓縮態(tài)或多光子糾纏態(tài)，可突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限。目前已在自由空間型干涉儀中實(shí)現(xiàn)了超越標(biāo)準(zhǔn)量子極限的測(cè)量精度，但是在光纖干涉儀測(cè)量系統(tǒng)中量子技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用仍非常罕見，面臨著諸多挑戰(zhàn)。首先在光纖干涉儀中，待測(cè)信號(hào)頻率通常在幾Hz到幾十kHz范圍。在低頻段，包括激光器的頻率及功率噪聲、探測(cè)器等的電子噪聲等技術(shù)噪聲比散粒噪聲大許多，不論是低頻壓縮光源還是低頻量子測(cè)量都十分困難。其次，在光纖干涉儀中光纖耦合、光纖型調(diào)制器、光纖對(duì)接等都會(huì)引入光子損耗，光纖介質(zhì)的吸收和散射也會(huì)增加損耗。然而量子光場(chǎng)是非經(jīng)典光場(chǎng)，其量子特性隨著光子損耗增加而線性衰減，從而導(dǎo)致量子探測(cè)精度下降。因此光子損耗是量子技術(shù)應(yīng)用于光纖干涉儀的難點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種量子光纖干涉儀，以克服現(xiàn)有干涉儀系統(tǒng)受限經(jīng)典散粒噪聲極限的缺陷，同時(shí)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠采用高頻壓縮源進(jìn)行低頻相位測(cè)量。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的量子光纖干涉儀包括：

量子壓縮光光源，用于發(fā)出相干光和量子壓縮光；

電光調(diào)制器，連接量子壓縮光光源，用于接收量子壓縮光光源發(fā)出的相干光，并進(jìn)行高頻幅度調(diào)制；

第一光纖分束器，連接量子壓縮光光源和電光調(diào)制器，用于將量子壓縮光和調(diào)制后的相干光分為兩束，一束進(jìn)入第一光纖移相器，另一束進(jìn)入第二光纖移相器；

第一光纖移相器，連接第一光纖分束器，用于掃描和鎖定兩臂的相位差；

第二光纖移相器，連接第一光纖分束器，用于兩臂的損耗匹配；

第二光纖分束器，連接第一光纖移相器和第二光纖移相器，用于將第一光纖移相器和第二光纖移相器輸出的光分為兩束，并分別進(jìn)入平衡探測(cè)器；

平衡探測(cè)器，連接第二光纖分束器，用于檢測(cè)第二光纖分束器輸出的光束。

進(jìn)一步的，所述第一光纖分束器和第二光纖分束器之間為干涉儀的兩臂，兩臂長(zhǎng)度均為10m。

進(jìn)一步的，所述量子壓縮光光源具體為連續(xù)變量壓縮光源。壓縮光的壓縮度越高，正交分量的量子噪聲越低，干涉儀的測(cè)量精度就越高。

進(jìn)一步的，所述電光調(diào)制器為波導(dǎo)型電光幅度調(diào)制器，半波電壓為3.5V，調(diào)制頻率為2.5MHz，使得系統(tǒng)可以應(yīng)用于低頻信號(hào)測(cè)量。

進(jìn)一步的，所述第一光纖分束器和所述第二光纖分束器均為分光比為50/50的光纖分束器。

進(jìn)一步的，所述第一光纖移相器和第二光纖移相器具體為：工作波長(zhǎng)為1080nm、半波電壓為11V的移相器。

進(jìn)一步的，所述第一光纖移相器鎖定兩臂的相位差為π/2。當(dāng)兩臂相位差為π/2時(shí)，其相位測(cè)量的靈敏度最大，因此采用光纖移相器將干涉儀兩臂相位差鎖定在π/2。

進(jìn)一步的，所述平衡探測(cè)器包含增益匹配的第一光電二極管和第二光電二極管，具體為ETX500InGaAs，量子效率為90％，可以有效地消除環(huán)境擾動(dòng)的影響。第一光電二極管和第二光電二極管分別連接第二光纖分束器，用于檢測(cè)第二光纖分束器輸出的兩束光束。