專利名稱：一種激光器位相噪聲測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光器的測量裝置，具體是一種利用原子或分子的相干效應(yīng)測量激光器位相噪聲的裝置。
背景技術(shù)：
位相噪聲是激光器的重要指標(biāo)之一。是量子光學(xué)基礎(chǔ)實驗、量子測量以及量子通訊等領(lǐng)域的重要研究對象。在激光器的增益介質(zhì)中，自發(fā)輻射出的光子的位相是隨機(jī)無序的，這種過程導(dǎo)致了輸出場強(qiáng)度的變化，從而引起了諧振腔的弛豫振蕩。在此頻率下，腔內(nèi)介質(zhì)折射率發(fā)生了變化，于是輸出光的線寬被展寬。
一些實驗結(jié)果表明，這種位相噪聲集中在低頻區(qū)(＜1MHz)，這主要是由出射激光波長的起伏引起的。人們發(fā)現(xiàn)位相噪聲的存在限制了測量的靈敏度，而且在相干光通信系統(tǒng)中，是影響接收機(jī)靈敏度的重要因素。
眾多的研究表明，位相噪聲相對于其它噪聲來源而言，對一個穩(wěn)定工作的激光器的噪聲的貢獻(xiàn)是最大的，這也直接影響著光與原子的相互作用過程，為此對位相噪聲的分析和測量是非常有意義的。
對激光器強(qiáng)度起伏的測量可以通過直接探測或者雙探測器組成的平衡系統(tǒng)測量。但對位相噪聲的實驗測量相對復(fù)雜一些，這是因為位相噪聲是不能直接測量的。任何探測器所能測量的都是光的強(qiáng)度(光子數(shù))而無法直接獲取光的相位信息，因此位相測量需要一種把位相噪聲轉(zhuǎn)換成強(qiáng)度噪聲的裝置。目前測量位相噪聲的方法主要是干涉測量法。
一種是邁克耳遜干涉儀測量法，它相當(dāng)于鑒頻器，先將激光器輸出光信號的相位噪聲轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度噪聲，再對探測到的光電流進(jìn)行頻譜分析。當(dāng)被探測的頻率噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于強(qiáng)度噪聲時，一般采用非平衡測量法；相反，強(qiáng)度噪聲較大時，非平衡測量法不再適用，此時就需要平衡測量法，這時需要使用兩個探測器進(jìn)行探測，并對光電流相減，得到它們的差值，由頻譜分析儀可得它的功率譜密度，從而得到激光器的位相噪聲。但是，這種方法需要較長的光程，且儀器不易集成，因此不利于移動和攜帶。同時，該儀器對干涉度要求較高，調(diào)節(jié)起來有一定的困難。
還有一個相對簡單的實現(xiàn)位相測量的干涉裝置——F-P干涉儀，如圖2所示。從F-P干涉儀反射的光到達(dá)測量系統(tǒng)，由于F-P干涉儀的反射與入射光的頻率有關(guān)，因此位相的起伏相應(yīng)地轉(zhuǎn)化為反射光中強(qiáng)度起伏的一部分。當(dāng)F-P干涉儀對于入射光完全失諧時，如果后鏡采用高反射腔鏡，幾乎所有的光均會反射回去到達(dá)探測系統(tǒng)，而此時的反射光將不包括任何位相起伏，因此強(qiáng)度噪聲和散粒噪聲水平可以方便地確定下來。另外，由于F-P干涉儀是一個色散系統(tǒng)，其位相噪聲可以在很寬的帶寬范圍內(nèi)測量。但是，由于F-P干涉儀的精細(xì)度非常高，調(diào)節(jié)起來費(fèi)時又費(fèi)力；并且要求很高的環(huán)境條件1)通常需要精確控溫，這就又需要一套控溫系統(tǒng)；2)通常需要熱膨脹系數(shù)小及堅硬的材料制作F-P腔體，需要一對鍍膜要求嚴(yán)格的高反鏡。這些都會使測量裝置成本增加，且使系統(tǒng)變得復(fù)雜難調(diào)，極大地限制了它的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為量子光學(xué)基礎(chǔ)實驗、量子測量以及量子通訊等研究領(lǐng)域提供一種裝置簡易、調(diào)節(jié)便利的位相噪聲測量裝置，以簡化測量過程和測量時間，降低實驗成本。
本發(fā)明所提供的一種激光器位相噪聲測量裝置，包括位相噪聲轉(zhuǎn)化裝置和平衡零拍探測系統(tǒng)，所述的平衡零拍探測系統(tǒng)由λ/2波片4、偏振分束棱鏡5、探測器6、7以及一個加減法器8組成，其特征在于，所述的位相噪聲轉(zhuǎn)化裝置由偏振分束棱鏡1、原子氣室或分子氣室2和偏振分束棱鏡3組成，激光器輸出的兩束線偏振光分別作為探測光和耦合光經(jīng)偏振分束棱鏡1耦合在一起同向傳播進(jìn)入原子氣室或分子氣室2中，在電磁誘導(dǎo)相干效應(yīng)的作用下將探測光場的位相噪聲轉(zhuǎn)化為振幅噪聲，并用另一個偏振分束棱鏡3將探測光和耦合光分開，出射的探測光的振幅噪聲通過平衡零拍探測系統(tǒng)進(jìn)行檢測。即探測光經(jīng)過一個λ/2波片4和一個偏振分束棱鏡5后被分成兩束，旋轉(zhuǎn)λ/2波片4使得兩束光的強(qiáng)度相等，分別用兩個低噪聲探測器6、7探測，將探測到的信號輸入到一個加減法器8做相加和相減運(yùn)算，將得到的結(jié)果送入頻譜分析儀9進(jìn)行觀察。
所述的原子氣室是充有堿金屬(如鋰、鈉、鉀、銣或銫等)或堿土金屬(如鈹、鎂、鈣、鍶或鋇等)的真空氣室。
所述的分子氣室是充有CO2、H2或NH3等分子氣體的氣室。
所述測量裝置的組件可以裝在一個防震平臺上，并加蓋箱體。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和效果1)本發(fā)明避免了調(diào)干涉或調(diào)腔的復(fù)雜操作，同時避免了對腔的穩(wěn)定及控溫，降低了難度，簡化了操作，提高了效率，降低了成本。
2)本發(fā)明簡化了裝置，縮短了光路，并且可以集成在一個裝置內(nèi)，便于移動、攜帶和調(diào)試，具有良好的應(yīng)用前景。
3)本發(fā)明為量子光學(xué)基礎(chǔ)實驗、量子測量以及量子通訊等研究領(lǐng)域提供一種結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)節(jié)便利的位相噪聲測量裝置，并可簡化測量過程和測量時間。


圖1本發(fā)明位相噪聲測量裝置示意2現(xiàn)有技術(shù)利用F-P干涉儀測量位相噪聲示意3電磁誘導(dǎo)相干效應(yīng)中的原子能級結(jié)構(gòu)圖具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明位相噪聲測量裝置作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
一種位相噪聲測量裝置(如圖1所示)，由偏振分束棱鏡1、原子氣室2、偏振分束棱鏡3構(gòu)成位相噪聲轉(zhuǎn)化裝置，由λ/2波片4、偏振分束棱鏡5、探測器6、7以及一個加減法器8組成平衡零拍探測系統(tǒng)。
我們以銫原子為例，進(jìn)行具體介紹。兩臺半導(dǎo)體激光器輸出的線偏振光別作為探測光和耦合光經(jīng)偏振分束棱鏡1耦合在一起，其中偏振分束棱鏡的消光比為25dB，從而保證了兩光束的線偏振特性。探測光和耦合光同向進(jìn)入銫原子氣室中且偏振方向正交。耦合光的頻率鎖定在基態(tài)F＝3(6S1/2)到激發(fā)態(tài)F′＝3(6P3/2)的共振躍遷上；而探測光的頻率則在基態(tài)F＝3(6S1/2)到激發(fā)態(tài)F′＝3(6P3/2)的躍遷頻率附近連續(xù)掃描(如圖3所示)，銫原子和兩光束在電磁誘導(dǎo)透明(EIT)效應(yīng)的作用下導(dǎo)致探測光場的位相噪聲轉(zhuǎn)化為振幅噪聲。探測光和耦合光通過銫原子氣室后被另一個偏振分束棱鏡3分開。然后，探測光再經(jīng)過一個λ/2波片4和一個偏振分束棱鏡5后被分成兩束，旋轉(zhuǎn)λ/2波片4使得兩束光的強(qiáng)度相等，分別用兩個低噪聲探測器6、7探測，將探測到的信號輸入到一個加減法器8做相加和相減運(yùn)算，將得到的結(jié)果送入頻譜分析儀9進(jìn)行觀察。其中信號相減作為散粒噪聲基準(zhǔn)，信號相加就是噪聲起伏，它包含三個成分激光的振幅噪聲、激光的位相噪聲轉(zhuǎn)化成的振幅噪聲以及由原子引入的噪聲。其中主要是位相噪聲轉(zhuǎn)化成的振幅噪聲。這樣我們就用本發(fā)明裝置實現(xiàn)了對激光器位相噪聲的測量。
權(quán)利要求
1.一種激光器位相噪聲測量裝置，包括位相噪聲轉(zhuǎn)化裝置和平衡零拍探測系統(tǒng)，其特征在于，所述的位相噪聲轉(zhuǎn)化裝置由偏振分束棱鏡(1)、原子氣室或分子氣室(2)和偏振分束棱鏡(3)組成，激光器輸出的兩束線偏振光分別作為探測光和耦合光經(jīng)偏振分束棱鏡(1)耦合在一起同向傳播進(jìn)入原子氣室或分子氣室(2)中，在電磁誘導(dǎo)相干效應(yīng)的作用下將探測光場的位相噪聲轉(zhuǎn)化為振幅噪聲，并用另一個偏振分束棱鏡(3)將探測光和耦合光分開，出射的探測光的振幅噪聲通過平衡零拍探測系統(tǒng)進(jìn)行檢測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器位相噪聲測量裝置，其特征在于，所述的原子氣室是充有堿金屬或堿土金屬的真空氣室。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器位相噪聲測量裝置，其特征在于，所述的分子氣室是充有CO2、H2、NH3分子氣體的氣室。
全文摘要
一種激光器位相噪聲測量裝置，包括位相噪聲轉(zhuǎn)化裝置和平衡零拍探測系統(tǒng)，其特征在于，所述的位相噪聲轉(zhuǎn)化裝置由偏振分束棱鏡(1)、原子氣室或分子氣室(2)和偏振分束棱鏡(3)組成，兩束線偏振光經(jīng)偏振分束棱鏡(1)耦合在一起同向傳播進(jìn)入原子氣室或分子氣室(2)中，在電磁誘導(dǎo)相干效應(yīng)的作用下將探測光場的位相噪聲轉(zhuǎn)化為振幅噪聲，并用另一個偏振分束棱鏡(3)將探測光和耦合光分開，出射的探測光的振幅噪聲用平衡零拍探測系統(tǒng)進(jìn)行檢測。本發(fā)明簡化了裝置，縮短了光路，可集成在一個裝置內(nèi)，具有穩(wěn)定、便于移動、攜帶和調(diào)試等特點(diǎn)。可廣泛應(yīng)用于量子光學(xué)基礎(chǔ)實驗、量子測量以及量子通訊等領(lǐng)域。
文檔編號G01R31/00GK1866037SQ20061001283
公開日2006年11月22日 申請日期2006年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月13日
發(fā)明者張俊香, 王海紅, 董雅賓, 蔡瑾, 郜江瑞 申請人:山西大學(xué)