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----量子光学

发布时间:2013-06-05          来源:admin           浏览次数:

 一、主要研究内容:

    我们的研究方向是亚散粒噪声(光量子噪声)的精密光偏振测量。以引力波光学探测为代表的极端精密测量技术的发展告诉我们,被测系统的标准量子噪声(散粒噪声)正在逐渐成为精密光学测量中限制测量精度(信噪比)提高的重要因素,甚至是主要因素。这标志着精密光学测量将从经典领域向量子领域过度。然而,到目前为止,只有一个物理量,即相对位相,在实验上真正意义上实现了亚散粒噪声测量,这种测量是在引力波激光干涉仪中实现的。这种状况,极大地限制了量子光学技术在精密测量中的广泛应用。

    我们发现,光的偏振是一个与相对位相密切相关的物理量,并由此猜想,偏振会不会成为位相之外的另一个物理量,也可以实现亚散粒噪声的精密测量?这构成了我们的主要研究动机。为了达到我们的研究目标,有两大科学技术难题需要解决。

    第一,外差探测在亚散粒噪声的偏振测量中的应用。引力波干涉仪采用零差探测,是依赖于该领域专门研制的低噪声光电探测器。而通常实验室里具备的光电探测器,低频电子学噪声远高于光散粒噪声。这个问题只能采用外差探测去克服。可是,已有的量力理论认为外差探测中有额外的真空噪声,难以实现亚散粒噪声测量。基于理论分析,并经实验证实,我们发现,相敏外差探测器能够克服真空噪声,满足我们的需要。

    第二,研制散粒噪声极限的偏振仪。由于实际光学偏振器件的消光比不能达到无穷大,目前国际上还没有成功构造用于精密测量的散粒噪声极限的偏振仪。基于对光偏振物理的认识,我们提出利用空间对称性、相干同相测量以及光偏振态控制三个核心技术,致力于实现散粒噪声极限的光学偏振仪。

    在散粒噪声极限的偏振仪中,注入压缩态光场,并使用相敏外差探测技术,亚散粒噪声的光偏振精密测量就水到渠成了。

二、主要研究进展 

1)在外差探测的量子噪声研究中,发现光电探测的量子理论不能自洽地解释光量子噪声起源。我们发展了新的光电探测量子理论,并完成相关实验4个。发表实验论文2篇,正投稿理论和实验论文各1篇。

    (a) 相敏外差探测器实验研究。我们制备一束双频相干光作为本振,与另一束单频激光作外差干涉,并测量输出光电信号的信噪比,发现该探测器的量子噪声指数(noise figure)为 0 dB,和零差探测器的噪声指数一样高,达到了量子理论允许的最好水平。之前国际上一直认为该探测器的噪声指数为 3 dB,即输出信号的信噪比与输入信号相比要下降1倍。[参考 Fan and He and Feng, JOSAB 32, 2172 (2015)]

    (b) 发展新的光电探测量子理论,与我们的实验结果一致。这项工作对于深入理解光电探测中的光量子噪声起源具有重要意义。(论文投稿中)

    (c) 实验上实现压缩态光场的外差探测。采用自主设计的二倍频光腔,使用HC锁定技术产生稳定高功率的532nm泵浦光。将泵浦光注入自主设计的下转换光腔中,产生压缩态光场。随后开展了压缩态光场的零差探测与外差探测的实验研究,同时对外差探测的理论进行了深入研究。我们20151月使用零差和相敏型外差探测的方法探测到2.4dB的压缩,实验结果如图1所示。论文即将投稿

1. 压缩态探测

 

2)提出基于空间对称性、相干同相测量以及光偏振态控制的超灵敏偏振仪,并开展相应实验研究。偏振仪在基础物理和相应技术研究中可获得广泛应用, 比如基础物理研究中轴子的探测真空双折射实验重金属原子的宇称不守恒的验证等相关实验。我们在20151月完成对超高灵敏度椭偏仪的灵敏度的初步标定实验。从实验结果(图2)可证实本套椭偏仪的灵敏度在1Hz 的灵敏度可至7×10-9 rad。[参考 He, Xie, and Feng, RSI 87, 043102 (2016)]

                                                                                   



2. 超高灵敏度椭偏仪标定结果

 

、小组人员情况

   教  授:冯 

    博士研究生:杨鹏,何德超,谢博娅,凡恒

   已毕业硕士研究生:2014 肖玉

   近期实验室照片:

2014.11

 

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