[發(fā)明專利]一種用于量子傳感的低泵浦功率量子關(guān)聯(lián)光源裝置

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• 申請?zhí)枺?/td>: 202111001486.7
• 申請日: 2021-08-27
• 公開（公告）號(hào): CN113721406A
• 公開（公告）日: 2021-11-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 譚政;周欣;孫獻(xiàn)平;王力;葉朝輝
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院
• 主分類號(hào): G02F1/35
• 分類號(hào): G02F1/35;H01S3/0941;H01S3/227
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務(wù)所(普通合伙) 42001
• 代理人: 李鵬

本發(fā)明公開一種用于量子傳感的低泵浦功率量子關(guān)聯(lián)光源裝置，主要包括穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光器、光隔離器、λ/2波片、偏振分束器、聲光移頻器及射頻驅(qū)動(dòng)源、λ/4波片、凸透鏡、平面反射鏡、耦合透鏡組、空芯光纖原子氣室、布儒斯特偏振器、法布里?珀羅腔、原子二向色分束器。穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光器、聲光移頻器和空芯光纖原子氣室用于產(chǎn)生具有強(qiáng)度量子關(guān)聯(lián)的探測光和參考光；使用布儒斯特偏振器、法布里?珀羅腔抑制泵浦光；最后，具有特定頻率差的、空間重合且具有相同偏振的探測光和參考光通過原子二向色分束器實(shí)現(xiàn)空間分束。本發(fā)明的低泵浦功率量子關(guān)聯(lián)光源裝置具有低功耗、結(jié)構(gòu)緊湊、易于集成的特點(diǎn)；在量子傳感與精密測量領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于原子分子物理、量子傳感和精密測量領(lǐng)域，具體涉及一種用于量子傳感的低泵浦功率量子關(guān)聯(lián)光源裝置。

背景技術(shù)

隨著精密測量物理和技術(shù)的發(fā)展，使用量子關(guān)聯(lián)光源實(shí)現(xiàn)亞散粒噪聲的量子傳感受到越來越多的關(guān)注。利用光與原子的相互作用產(chǎn)生光和原子的壓縮態(tài)，并應(yīng)用于量子精密傳感能有效抑制系統(tǒng)的量子噪聲，獲得突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限(Standard Quantum Limit,SQL)的測量精度。近期，利用原子蒸氣四波混頻(Four Wave Mixing,FWM)過程產(chǎn)生的強(qiáng)度差壓縮光來增強(qiáng)量子傳感的技術(shù)已被應(yīng)用于光損傷閾值之下的生物測量等離子傳感器，以及測量反作用噪聲超過光子散粒噪聲的微機(jī)械傳感器領(lǐng)域。

原子蒸氣中的四波混頻是一種三階非線性光學(xué)效應(yīng)，利用兩個(gè)或三個(gè)特定頻率的光波與原子蒸氣的相互作用產(chǎn)生另外兩個(gè)或一個(gè)新的頻率的光波，其產(chǎn)生過程需要較高(約幾百mW量級(jí))的泵浦光功率[C.F.McCormick et al.,“Strong low-frequency quantumcorrelations from a four-wave-mixing amplifier”,Phys.Rev.A 78,043816(2008)]。高功率的泵浦光通常需要由體積大、功耗大和價(jià)格高的激光光源(例如，鈦寶石激光器或半導(dǎo)體激光放大器)提供，因而不利于該類量子關(guān)聯(lián)光源的小型化和集成化。采用空芯光纖原子氣室將激光和原子的同時(shí)束縛于空芯光纖內(nèi)，能使系統(tǒng)的光學(xué)深度(Optical Depth,OD)獲得數(shù)十倍的提高，從而極大增強(qiáng)光和原子的相互作用[P.S.Donvalkar et al.，“Continuous generation of rubidium vapor in hollow-core photonic bandgapfibers”,Opt.Lett.40,5379(2015)]，因此可用于實(shí)現(xiàn)基于原子蒸氣四波混頻的低泵浦功率量子關(guān)聯(lián)光源。

通過空芯光纖原子氣室中的四波混頻過程產(chǎn)生、并經(jīng)由空芯光纖輸出的泵浦光、探測光和新產(chǎn)生的閑置光在空間上相互重合，且信號(hào)光和閑置光的偏振方向相同，因而無法通過偏振分束器件實(shí)現(xiàn)分束。針對這一問題，本發(fā)明使用高細(xì)度法布里-珀羅腔和基于原子的法拉第反常色散效應(yīng)的原子二向色分束器，分別實(shí)現(xiàn)對殘余泵浦光的抑制，以及對具有特定頻率差的、空間重合且偏振相同的信號(hào)光和閑置光的分束；最后，量子關(guān)聯(lián)光源的兩個(gè)端口輸出具有較高分束抑制比的信號(hào)光和閑置光，分別用于量子傳感的探測光和參考光。

本發(fā)明針對現(xiàn)有量子關(guān)聯(lián)光源通常需使用高功率泵浦源的問題，提出一種用于量子傳感的低泵浦功率量子關(guān)聯(lián)光源裝置。本發(fā)明的量子關(guān)聯(lián)光源由一臺(tái)穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光器和聲光移頻器產(chǎn)生原子蒸氣四波混頻的泵浦光和信號(hào)光，在充入堿金屬原子蒸氣的空芯光纖原子氣室中經(jīng)由四波混頻過程生成新的頻率的閑置光；之后，利用基于非線性磁光效應(yīng)的原子二向色分束器實(shí)現(xiàn)對信號(hào)光和閑置光的空間分束，獲得作為量子光聯(lián)光源兩個(gè)端口輸出的探測光和參考光；利用具有強(qiáng)度差量子關(guān)聯(lián)的探測光和參考光進(jìn)行差分探測可實(shí)現(xiàn)低于標(biāo)準(zhǔn)量子極限的量子傳感精度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，提供一種用于量子傳感的低泵浦功率量子關(guān)聯(lián)光源的實(shí)現(xiàn)裝置，可應(yīng)用于突破量子噪聲極限的物理、生物化學(xué)等量子傳感領(lǐng)域，包括：被噪聲淹沒的極微弱信號(hào)的提??；微機(jī)械傳感器微小位移量的測量；原子磁力計(jì)測磁靈敏度的提高；以及超高分辨率生物成像的實(shí)現(xiàn)等。