專利名稱：一種激光器位相噪聲測量裝置的制作方法
技術領域：
本發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測量激光器位相噪聲的裝置。
背景技術：
位相噪聲是激光器的重要指標之一。是量子光學基礎實驗、量子測量以及量子通訊等領域的重要研究對象。在激光器的增益介質中，自發輻射出的光子的位相是隨機無序的，這種過程導致了輸出場強度的變化，從而引起了諧振腔的弛豫振蕩。在此頻率下，腔內介質折射率發生了變化，于是輸出光的線寬被展寬。
一些實驗結果表明，這種位相噪聲集中在低頻區(＜1MHz)，這主要是由出射激光波長的起伏引起的。人們發現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中，是影響接收機靈敏度的重要因素。
眾多的研究表明，位相噪聲相對于其它噪聲來源而言，對一個穩定工作的激光器的噪聲的貢獻是最大的，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測量。但對位相噪聲的實驗測量相對復雜一些，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度(光子數)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換成強度噪聲的裝置。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，它相當于鑒頻器，先將激光器輸出光信號的相位噪聲轉化為強度噪聲，再對探測到的光電流進行頻譜分析。當被探測的頻率噪聲遠遠大于強度噪聲時，一般采用非平衡測量法；相反，強度噪聲較大時，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，調節起來有一定的困難。
還有一個相對簡單的實現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測量系統，由于F-P干涉儀的反射與入射光的頻率有關，因此位相的起伏相應地轉化為反射光中強度起伏的一部分。當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探測系統，而此時的反射光將不包括任何位相起伏，因此強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，其位相噪聲可以在很寬的帶寬范圍內測量。但是，由于F-P干涉儀的精細度非常高，調節起來費時又費力；并且要求很高的環境條件1)通常需要精確控溫，這就又需要一套控溫系統；2)通常需要熱膨脹系數小及堅硬的材料制作F-P腔體，需要一對鍍膜要求嚴格的高反鏡。這些都會使測量裝置成本增加，且使系統變得復雜難調，極大地限制了它的應用。
發明內容
本發明的目的是為量子光學基礎實驗、量子測量以及量子通訊等研究領域提供一種裝置簡易、調節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，包括位相噪聲轉化裝置和平衡零拍探測系統，所述的平衡零拍探測系統由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偏振分束棱鏡1耦合在一起同向傳播進入原子氣室或分子氣室2中，在電磁誘導相干效應的作用下將探測光場的位相噪聲轉化為振幅噪聲，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進行檢測。即探測光經過一個λ/2波片4和一個偏振分束棱鏡5后被分成兩束，旋轉λ/2波片4使得兩束光的強度相等，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做相加和相減運算，將得到的結果送入頻譜分析儀9進行觀察。
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。
與現有技術相比，本發明的優點和效果1)本發明避免了調干涉或調腔的復雜操作，同時避免了對腔的穩定及控溫，降低了難度，簡化了操作，提高了效率，降低了成本。
2)本發明簡化了裝置，縮短了光路，并且可以集成在一個裝置內，便于移動、攜帶和調試，具有良好的應用前景。
3)本發明為量子光學基礎實驗、量子測量以及量子通訊等研究領域提供一種結構簡單、調節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本發明位相噪聲測量裝置示意2現有技術利用F-P干涉儀測量位相噪聲示意3電磁誘導相干效應中的原子能級結構圖具體實施方式
下面結合附圖對本發明位相噪聲測量裝置作進一步詳細說明。
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構成位相噪聲轉化裝置，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。
我們以銫原子為例，進行具體介紹。兩臺半導體激光器輸出的線偏振光別作為探測光和耦合光經偏振分束棱鏡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F＝3(6S1/2)到激發態F′＝3(6P3/2)的共振躍遷上；而探測光的頻率則在基態F＝3(6S1/2)到激發態F′＝3(6P3/2)的躍遷頻率附近連續掃描(如圖3所示)，銫原子和兩光束在電磁誘導透明(EIT)效應的作用下導致探測光場的位相噪聲轉化為振幅噪聲。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λ/2波片4使得兩束光的強度相等，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做相加和相減運算，將得到的結果送入頻譜分析儀9進行觀察。其中信號相減作為散粒噪聲基準，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化成的振幅噪聲。這樣我們就用本發明裝置實現了對激光器位相噪聲的測量。
權利要求
1.一種激光器位相噪聲測量裝置，包括位相噪聲轉化裝置和平衡零拍探測系統，其特征在于，所述的位相噪聲轉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偏振分束棱鏡(1)耦合在一起同向傳播進入原子氣室或分子氣室(2)中，在電磁誘導相干效應的作用下將探測光場的位相噪聲轉化為振幅噪聲，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進行檢測。
2.根據權利要求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.根據權利要求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，包括位相噪聲轉化裝置和平衡零拍探測系統，其特征在于，所述的位相噪聲轉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，兩束線偏振光經偏振分束棱鏡(1)耦合在一起同向傳播進入原子氣室或分子氣室(2)中，在電磁誘導相干效應的作用下將探測光場的位相噪聲轉化為振幅噪聲，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進行檢測。本發明簡化了裝置，縮短了光路，可集成在一個裝置內，具有穩定、便于移動、攜帶和調試等特點。可廣泛應用于量子光學基礎實驗、量子測量以及量子通訊等領域。
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 優先權日2006年6月13日
發明者張俊香, 王海紅, 董雅賓, 蔡瑾, 郜江瑞 申請人:山西大學
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