[發明專利]多波長激光相位噪聲消除和頻率穩定的裝置和方法

在審

• 申請號: 202110357308.1
• 申請日: 2021-04-01
• 公開（公告）號: CN113131327A
• 公開（公告）日: 2021-07-16
• 發明（設計）人: 劉楊洋;付卓;許鵬;何曉東;王謹;詹明生
• 申請（專利權）人: 中國科學院精密測量科學與技術創新研究院
• 主分類號: H01S3/13
• 分類號: H01S3/13;H01S3/137;H01S3/139;H01S3/067;H01S3/08;H01S3/10;H01S3/105
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務所(普通合伙) 42001
• 代理人: 李鵬;王敏鋒

多波長激光相位噪聲消除和頻率穩定的裝置和方法。本發明公開了一種同時實現兩個不同波長激光的高頻相位噪聲抑制和保證頻率長期穩定的裝置，腔長穩定系統將可調諧法布里珀羅腔穩定到主激光器上，第一激光器頻率穩定系統將第一激光器鎖定到可調諧法布里珀羅腔上，第二激光器頻率穩定系統將第二激光器鎖定到可調諧法布里珀羅腔上，第一法布里珀羅腔透射光和第二法布里珀羅腔透射光輸入到注入鎖定系統進行功率放大。本發明還公開了一種同時實現兩個不同波長激光的高頻相位噪聲抑制和保證頻率長期穩定的裝方法，通過將法布里珀羅腔鎖定到一個頻率漂移極小的主激光器上來減小由于外界環境溫度變化以及腔體吸收引起的法布里珀羅腔的腔長變化，達到對于激光頻率長期穩定的效果。

技術領域

本發明涉及高性能激光器噪聲抑制領域，更具體涉及多波長激光相位噪聲消除和頻率穩定的方法，還涉及多波長激光相位噪聲消除和頻率穩定的裝置。適用于基于中性原子的量子計算與量子模擬領域，主要用于中性原子的里德堡態激發。

技術背景

基于原子里德堡態的偶極-偶極相互作用的量子計算和量子模擬近年來得到迅速發展，其中實現原子在基態和里德堡態間的高保真度的相干激發是保證實驗精度的關鍵核心技術。近期是實驗結果表明：激光相位噪聲會引起原子在基態和里德堡態間拉比振蕩的嚴重退相，導致實驗精度的下降。因此，抑制激光相位噪聲是實現中性原子量子計算以及進行里德堡原子量子模擬時上必須要解決的問題。此外，激光相位噪聲的抑制在離子阱、原子鐘以及原子干涉儀等領域同樣受到關注。

針對本發明應用背景的已有相關文章的技術方案如下：

目前，消除激光相位噪聲的主流手段是將一個法布里珀羅腔同時作為頻率參考用來鎖定激光頻率同時當作一個濾波器，這種方法已經在很多領域中得以實現。在原子干涉儀領域，研究者通過一個精細度為160000的法布里珀羅腔將激光偏離載頻1MH附近的相位噪聲壓制了大約30dB，且實驗結果收到光電探測器本低噪聲和頻譜分析儀精度的影響，因此實際上相位噪聲已經被壓制到了更低的水平 (Low-frequency-noise diode laser foratom interferometry，JOSA-B，25卷，10期， 1630到1632頁，2008年)。在囚禁離子量子計算領域，研究者利用精細度為10000 的法布里珀羅腔(FP腔)將激光偏離載頻1MHz處的相位噪聲壓制了約30dB (Universal gate-set for trapped-ion qubits using a narrowlinewidth diode laser，New Journal of Physics，17卷，11期，113060頁，2015年)。實際上，已經由研究小組將激光的相位噪聲降低到散粒噪聲極限，研究者是通過將一束激光兩次通過精細度為87000的法布里珀羅腔，將激光偏離載頻1MHz處附近的相位噪聲降低了約85dB(Efficient suppression of diode-laser phase noise by optical filtering，JOSA B， 22卷，11期，2338-2344頁，2005年)。以上的實驗都已經顯示了該方法的有效性，然而由于實際中進入腔的激光的模式不完全匹配以及腔鏡對于激光的吸收，通常腔的出射光功率通常很低。因此研究者們在使用超腔過濾激光相位噪聲時，通常會同時將腔的透過光通過注入鎖定技術放大激光功率，同時能夠保證激光的頻譜與腔的透過光一樣。注入鎖定的穩定性要求注入光的功率必須大于某個閾值，即要求了超腔的入射光必須足夠強。當法布里珀羅腔的細度很高，且入射功率較大時，腔鏡對于激光的吸收引起的熱效應導致的腔長變化變得不可忽略，這種現象已經在其他實驗中觀察到了，例如在前面所述的離子阱中當研究者用細度 10000的腔去過濾激光相位噪聲時并注入鎖定時，腔共振頻率的漂移到了驚人的 2kHz/min(Universal gate-set for trapped-ion qubits using a narrowlinewidth diode laser，New Journal of Physics，17卷，11期，113060頁，2015年)，從而引起鎖定在腔上的激光的頻率漂移，嚴重影響實驗結果的可重復性。因此，如何同時保證低相位噪聲和較小的腔長長期漂移是我們追求的目標，目前尚無文獻和產品公開同時滿足這些需求的實驗裝置和方法。