摘要
计量学是定量科学的基础。不断提高的测量精度不仅能够获取更多的自然现象的细节，而且可以加深我们对自然规律的认识。光学干涉仪是一种有效的精密测量工具，待测信号会引起两个干涉路径之间的相位变化，并且干涉仪的输出信号对相位变化非常敏感，因此，利用干涉仪可以对诸多微小物理量进行测量。随着测量技术的不断发展，经典光学干涉仪的灵敏度最终将受限于真空起伏噪声，也就是散粒噪声极限。量子干涉仪可以利用多种量子资源提高测量的灵敏度，测量淹没于散粒噪声极限的微弱信号。光学参量放大器是开展量子精密测量的一种重要量子器件。为此，本论文利用光学参量放大器构建了量子干涉仪，使其相位测量灵敏度超越了散粒噪声极限。 本论文主要有以下几个方面的研究： 1.我们利用PPKTP晶体构建的倍频腔，高效率产生了低噪声的447nm激光。当注入440mW红外激光时，最大获得了308mW的紫外激光，相应的转换效率可以达到70%。此外，当分析频率高于1.5MHz时，紫外激光的噪声可以达到散粒噪声极限。我们的倍频腔为光学参量放大器提供了一个理想的泵浦场，进而可以产生用于构建量子干涉仪的非经典光场。 2.我们理论提出并实验构建了一种紧凑型量子马赫曾德尔干涉仪。该干涉仪直接将两个光学参量放大器耦合到干涉仪的两臂中，光学参量放大器产生的压缩态直接用于相敏量子态，从而有效解决了压缩态注入干涉仪方案中耦合损耗的问题。通过压缩散粒噪声和放大相敏光场强度，可以实现突破散粒噪声极限的相位测量。相敏光场从5μW放大到75.3μW，干涉仪输出光束的噪声比散粒噪声极限压缩了5.57±0.19dB，因此，与相同相敏光场强度下的经典马赫曾德尔干涉仪相比，信噪比提高了4.86±0.24dB。当相敏光场强度为75.3μW时，计算得到的相位值为6.20×10-8/√(Hz)。量子干涉仪在低相敏光场强度下达到了海森堡尺度的精度。该量子干涉仪为位移等物理量的微小变化测量提供了必要的基础。 3.我们提出了一种基于非简并光学参量放大器的迈克尔逊干涉仪方案。迈克尔逊干涉仪不仅可以用来研究物理学的基本问题,而且能够用于微小物理量的精密测量,比如引力波信号的测量。因此,构建高灵敏度的迈克尔逊干涉仪是实现微弱信号测量的关键。在迈克尔逊干涉仪中,利用非简并光学参量放大器取代干涉仪中的线性光学分束器;并且将压缩态注入干涉仪的真空通道,可以得到高灵敏度的干涉仪。由于存在不可避免的光学损耗,我们分析了迈克尔逊干涉仪内部的损耗对相位测量灵敏度的影响。通过理论计算研究了干涉仪的相位测量灵敏度随压缩度等系统参数的变化关系,得到了高灵敏度的相位测量量子迈克尔逊干涉仪的实现条件,为用于精密测量的量子干涉仪的设计提供了直接参考。 所做研究工作的创新之处为： 1.利用四镜蝴蝶结型环形腔和周期极化PPKTP晶体构建了倍频腔。将钛宝石激光器输出的895nm激光倍频，得到了308mW的447nm二次谐波激光。其中，倍频效率高达70%，447nm激光在1.5MHz以上分析频率可以达到量子噪声极限，用于泵浦光学参量放大器。 2.提出并且构建了一种紧凑型量子马赫曾德尔干涉仪。将光学参量放大器耦合到干涉仪的两臂中，直接利用光学参量放大器来放大相敏场强和压缩量子噪声的特性，使马赫曾德尔干涉仪的信噪比超越散粒噪声极限4.86dB。该方法可以用于其他类型干涉仪（例如迈克尔逊干涉仪、Sagnac干涉仪），为进一步提高干涉仪的灵敏度提供了指导。 3.提出了一种高灵敏度的量子迈克尔逊干涉仪方案。将非简并光学参量放大器用作迈克尔逊干涉仪的非线性分束器，得到超越散粒噪声极限的干涉仪。
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