基于光学反馈频率锁定的窄线宽稳定中红外激光产生技术研究

中红外精密激光光谱技术在痕量气体检测、基本物理常数测定等领域都有重要应用,然而由于缺乏窄线宽、稳定的中红外光源,很难实现中红外精密光谱测量.本文介绍了一种基于光学反馈频率锁定的窄线宽稳定中红外激光产生技术,分析了光学反馈实现激光到F-P腔锁定的可行性,利用一个高精细度中红外超稳F-P腔作为频率参考,基于光学反馈技术实现了量子级联激光器到该超稳腔的锁定.经过评估得到激光器线宽被压窄到1.1 Hz,压窄激光线宽的同时稳定了激光频率,将激光器的长期漂移控制在20 kHz/12 h.其中,为了获取长时间稳定的光学反馈,基于PDH技术获取了误差信号,用于对反馈相位的实时伺服控制.

利用单分子光学探针测量幂律分布的聚合物动力学

研究聚合物薄膜纳米尺度的动力学特性对于高性能材料的制备具有重要的意义.本文利用尼罗红单分子作为光学探针吸附在聚丙烯酸甲酯(PMA)聚合物链上,研究该聚合物薄膜的动力学特性.通过单分子散焦宽场荧光成像显微镜技术测量了单分子随PMA聚合物链转动弛豫的三维再取向特性,当环境温度高于PMA的玻璃点温度19 K时,发现处于PMA聚合物薄膜中的单分子光学探针的转动态和非转动态的持续时间概率密度服从指数截止的幂律分布.研究结果表明该温度下PMA聚合物薄膜的纳米环境动力学仍存在空间和时间异构性.

光学相位锁定激光在原子玻色-爱因斯坦凝聚中实现拉曼耦合

采用光学相位锁定环路技术将外腔反馈式半导体激光器锁定到与钛宝石激光器输出激光频率上.锁定后两束激光的差频线宽从MHz降低到Hz量级,同时两束激光的频率差可实现几百兆赫兹到7 GHz的精密调节.锁定的两束激光作用在铷原子玻色-爱因斯坦凝聚的两个基态超精细态=2,1,观测到在两个超精细态之间的拉曼跃迁.该技术可用于超冷原子两个超精细态之间自旋轨道耦合.

光学谐振腔的传输特性

量子噪声已成为当前精密测量应用中的一种重要限制因素,与其相关的问题已成为研究热点.光学谐振腔作为操控量子噪声的一种重要光学器件,其传输特性决定了输出信号噪声的演化特性.本文通过理论分析光学谐振腔输出的强度、相位与频率的对应关系,对比了过耦合腔、阻抗匹配腔与欠耦合腔传输函数、能量传输、噪声传递的频谱特性,证明其具有功率分束、频率滤波、噪声转换等特性,为量子噪声的分析与操控等应用研究提供了基础,将推动精密测量领域的发展.

基于微型光学偶极阱中单个铯原子俘获与操控的852 nm触发式单光子源

基于单原子操控的单光子源具有窄带宽、可与同类原子吸收线匹配、基本不受外界环境因素的影响等特点,在量子光学基本问题研究及量子信息处理等方面具有重要价值.本文研究了强聚焦1064 nm基模高斯光束形成的光学偶极阱中铯原子6S_(1/2)|F_g=4,mF=+4>-6P_(3/2)|F_e=5,m_F=+5>循环跃迁的光频移,并在实验上进行了测量.基于共振脉冲光激发俘获在远失谐微型光学偶极阱中的单个铯原子,实验演示了10 MHz重复频率的触发式852 nm单光子源.采用基于单光子探测器的Hanbry Brown-Twiss实验系统,对单光子源的二阶相干度进行了测量,零延时处符合计数值为0.09,实验显示单光子源呈现显著的光子反群聚特性.

宽频带压缩态光场光学参量腔的设计

压缩态光场是量子光学研究中的一种重要量子资源.在量子信息应用中,压缩态光场的频谱带宽是限制信息传输容量的重要指标.目前,光学参量振荡器是产生强压缩度非经典光场最有效的方法之一.本文通过分析输出耦合镜透射率、线宽、阈值功率对简并光学参量振荡器频谱带宽的影响,实验完成了低阈值(18 mW)、宽频带(84.2 MHz)、高稳定(锁定基线标准偏差为0.32 MHz)量子压缩器的设计.结果表明,相比单共振光学参量振荡器,双共振腔型具有低阈值、高稳定的特点,更适合于宽频带压缩态光场的制备与实际应用.

近红外光学反馈线性腔增强吸收光谱技术

腔增强吸收光谱技术(Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy,CEAS)利用激光在腔镜之间的多次反射,增长光与气体介质的作用路径,从而提升探测灵敏度。CEAS的主要噪声来源于激光-腔耦合效率的低下和腔模幅度的起伏。光学反馈腔增强吸收光谱技术(OF-CEAS)基于光学反馈(Optical Feedback,OF)效应,将激光频率锁定到腔模频率上,提高了激光-腔的耦合效率。为了避免光学腔直接反射光引起光学反馈,传统的OF-CEAS大都采用三镜V型谐振腔。然而,实验发现当反馈相位控制恰当时,光学腔直接反射光并不会影响光学反馈,激光可以锁定到光学腔的谐振光上。因此,提出了基于线性F-P腔的OF-CEAS。利用透射腔模的对称性计算得到反馈相位控制的误差信号,实现了激光频率到连续101个腔模频率的锁定。最后对32×10^(-6)的甲烷标气进行检测,获得OF-CEAS吸收信号,评估得到的探测灵敏度可达0.54×10^(-6)(1σ)。

基于光学非互易的双路多信道全光操控

基于原子热运动的极化率-动量锁定特性及腔引起的强耦合特征,设计并实现了一套无磁的光学互易-非互易传输转换方案.理论和实验证实,耦合场条件决定了系统的非互易性.在单束行波场作用下,由于多普勒效应,热原子中的非互易性取决于耦合场的传播方向.因此,通过改变对向耦合场的开闭,可控制基于内腔电磁诱导透明的双路单信道光学非互易传输.而在两束对向耦合场同时作用下,腔透射由单暗态转变为双暗态极子峰,其互易性输出依赖于两束耦合场之间的频率差.于是通过调谐频率差可实现基于双暗态极子峰的双路多信道互易-非互易传输调控.

光学反馈线性腔衰荡光谱技术不确定性

腔衰荡光谱技术是一种高灵敏的腔增强分子吸收光谱测量技术,由于激光频率噪声大,导致激光到腔耦合效率低,严重限制了其对痕量气体的探测灵敏度.光学反馈可以有效压窄半导体激光器的线宽,提高激光到外部谐振腔的耦合效率.本文基于精细度为7800的Fabry-Pérot腔,发展了光学反馈线性腔衰荡光谱技术.首先从光场相位的角度给出了线性腔光学反馈的原理,然后分析了影响测量不确定性的因素,包括光学反馈率、衰荡信号触发阈值、探测器相对透射汇聚光斑位置等.实验结果表明,通过设置低反馈率(3%自由光谱区间)、高衰荡信号触发阈值(90%腔模幅度)以及将光斑聚焦到探测器有效面中心等措施,结合光学反馈效应,可将空腔衰荡时间的相对不确定度提升至0.026%,远优于传统腔衰荡技术获得的典型值.系统在积分时间为180 s时,获得探测灵敏度为1.3×10^(-10)cm^(-1),对应甲烷的最小可探测吸收体积浓度为0.35×10^(-9),从而满足了碳监测的要求.

基于纳米光纤的光学法布里-珀罗谐振腔腔内模场的表征

光学法布里-珀罗(F-P)谐振腔、粒子、微纳机械振子三者结合的复合腔光力学系统在基本物理问题、量子信息、精密测量等方面的研究和应用中越来越引起大家的重视.本文将纳米光纤置于光学F-P谐振腔的腔模中,探究了纳米光纤对光学F-P谐振腔精细度的影响,并通过测量纳米光纤引起的光学F-P谐振腔内腔损耗随纳米光纤位置的关系直接获得光学F-P谐振腔的腰斑半径,从而进一步实现了对光学F-P谐振腔腔内模场分布的无损表征.此方法可以用于在纳米光纤表面装载的发光粒子与光学F-P谐振腔耦合的精确控制,也为集合光子、粒子、声子的复合腔光力学研究提供了良好的平台.

光学腔增强Duan-Lukin-Cirac-Zoller量子记忆读出效率的研究

量子中继是长距离纠缠分发的关键组成部分,而基于原子系综存储的读出效率是量子中继能否实用化的一个重要指标.本文利用冷原子系综中的自发拉曼散射过程产生Duan-Lukin-Cirac-Zoller量子记忆,在原子系综周围搭建环形腔,增强光与原子相互作用,从而提高读出效率,然而,腔内原子的能级分裂使量子记忆的读出效率降低.本文研究了读出效率随读光相对于原子共振线失谐量的变化关系.结果显示:当读光的失谐量为80 MHz时,本质读出效率为45%,这时腔对读出效率的增强倍数为1.68倍.

利用模糊算法实现光学谐振腔锁定优化(特邀)

光学谐振腔不仅可以增强激光和物质的相互作用,而且能够抑制激光的噪声,是开展精密测量、量子光学等研究的重要工具。激光和光学谐振腔共振的稳定锁定是其应用的关键。然而,在实际环境中锁定效果会受机械振动、温度变化等因素的影响。提出了将模糊算法应用于PDH(Pound-Drever-Hall)技术,使比例积分微分控制器的三个参数能够根据外界环境变化进行调节以实时获得最优参数,有效提升了光学谐振腔的锁定的抗干扰能力。如果外界干扰仍然过大以至于失锁,系统可以使其自动重新锁定。该系统有效增强了光学谐振腔的实用性,为光学谐振腔在精密测量、量子光学实验中的应用提供了技术基础。

反射式小型光学电场传感器

为了同时实现对直流电场、交变电场和瞬态电场的测量,通过琼斯矩阵计算,建立基于泡克尔效应的反射式光学电场传感探头的理论传感模型,分析铌酸锂晶体长度、晶体切型、温度以及封装应力对探头传感性能的影响.制备尺寸Φ5 mm×80 mm,理论电场测量范围为±439.2 kV/m的反射式小型光学电场传感探头,搭建相关的电场传感系统并表征传感探头在10~5000 Hz交变电场、直流场、8.2~12.4 GHz高频微波场下的传感性能.实验结果表明,该光学电场传感器在直流−12.4 GHz电场频率范围内具有较好的电场响应,在无外加电场时长时间内信号漂移量小于0.08‰,分辨力至少为3 V/m,实际可测量范围为10−3~102 kV/m,有望应用于高功率微波探测和电力系统领域的直流、ms级及ns级暂态电场监测.

氧分压对脉冲激光沉积β-Ga_(2)O_(3−δ)薄膜光学性能的影响

在不同氧分压下,用脉冲激光沉积法在c-蓝宝石衬底上制备了高质量β-Ga_(2)O_(3−δ)薄膜。通过X-射线衍射、远红外反射光谱、X-射线光电子能谱和紫外-可见-近红外透射光谱系统地研究了β-Ga_(2)O_(3−δ)薄膜的晶格结构、化学计量比和光学性质。X-射线衍射分析表明,所有沉积的薄膜以(-201)晶向方向生长。透射光谱显示薄膜在255 nm以上的紫外-可见-近红外波段具有80%以上的高透明度,同时在255 nm附近有一个陡峭的吸收边。此外,利用Tauc-Lorentz(TL)色散函数模型和Tauc公式,我们提取了β-Ga_(2)O_(3−δ)薄膜的光学常数和光学直接带隙。更进一步,我们通过理论计算解释了氧气分压对β-Ga_(2)O_(3−δ)薄膜光学性质的影响。

基于磁悬浮大体积交叉光学偶极阱的Dimple光阱装载研究

三维拉曼边带冷却后的铯原子样品装载于一个磁悬浮的大体积交叉光学偶极阱中,继续加载一个小体积的光学偶极阱后,实现了Dimple光学偶极阱对铯原子的高效装载.对不同磁场下磁悬浮大体积光阱的有效装载势能进行理论分析与实验测量,得出最优化的梯度磁场和均匀偏置磁场,获得了基于磁悬浮大体积光阱的Dimple光学偶极阱的装载势能曲线,实现了Dimple光学偶极阱对经拉曼边带冷却后俘获在磁悬浮的大体积光阱中的铯原子样品的有效装载.比较了Dimple光学偶极阱分别从拉曼边带冷却、大体积的交叉光阱和消除反俘获势后的磁悬浮大体积光阱装载的结果,将俘获在磁悬浮大体积光阱中的铯原子样品装载到Dimple光学偶极阱,铯原子样品的密度提高了约15倍.

光学滤波腔输出场音频段噪声特性的实验研究

激光噪声已成为限制精密测量精度提升的重要限制因素,噪声分析与抑制技术已成为研究的焦点.光学滤波腔充当光学低通滤波器,可有效抑制超出线宽范围的高频噪声.然而,本文研究发现光学滤波腔的输出场音频段强度噪声高于激光本底噪声.通过建立反馈控制理论模型,利用自制数字控制单元模块,优化了反馈控制比例-积分增益,大幅抑制了反馈控制环路引入的噪声.同时,依据前期工作基础,解释了光学滤波腔输出场剩余的强度噪声来源于输入光场的相位噪声和指向噪声.实验结果为反馈控制环路噪声分析等应用研究提供了基本手段,将推动精密测量向更高测量精度方向发展.

光学腔中一维玻色-哈伯德模型的奇异超固相

利用密度矩阵重整化群计算了光学腔中一维无自旋玻色-哈伯德模型的基态.通过研究超流序、局域密度分布、二阶和三阶关联函数,发现该系统出现了超越平均场理论的两个奇异超固相.这两个超固相同时具备对角和非对角长程序,其中一个展现出包络形式的密度调制振荡,另一个展现出均匀的密度分布.另外,结合光场的超辐射序参量和腔内的平均光子数,发现奇异超固相与腔光场的涨落存在密切关系.该工作给出了光学腔内玻色哈伯德模型的超越平均场理论的新物理,并提供了探索光学腔内光与物质集体物态的完整计算方法.

光学微腔中一维费米气的磁性关联特性

对于准一维两组分费米气与光学微腔耦合的系统,证明了微腔光子的超辐射可以驱动原子系统的磁性转变,该磁性转变与原子的失谐以及费米子的填充数密切相关.对于无相互作用原子气,在超辐射相区内平均场近似合理.基于该近似,分析了不同的填充和失谐情况下体系的静态自旋结构因子,由此刻画出腔光子协助的磁性关联转变,并得到了依赖于微腔参数的相图.最后,对可行的实验参数做了相关讨论.

单分子光学探针揭示易混聚合物受限纳米区域的动力学

常规的系综研究方法显示在动力学不对称的易混聚合物中存在着受限区域,但是不能给出受限区域的分布、尺度及受限区域内的动力学分布特征等.单分子光学探针被用来探测苯乙烯高聚物与苯乙烯寡聚物形成的易混聚合物薄膜中的受限纳米区域的动力学.实验发现易混聚合物中存在转动和固定不动的两种动力学形式的单分子,指示着单分子分别耦合到苯乙烯高聚物和苯乙烯寡聚物的聚合物链片段上.转动单分子的分布揭示了易混聚合物薄膜受限区域的分布特征.受限区域的尺度被估计为其可能接近于单分子探针的尺度(约2 nm).受限纳米区域中单分子的转动关联时间的分布揭示了受限纳米区域中聚合物动力学的分布特征.实验发现在含有更高浓度的苯乙烯高聚物的混聚物薄膜中具有更快的动力学行为,从而在单分子水平上揭示了易混聚合物中的受限纳米区域的动力学.

光学轨道角动量复用纠缠源的实验产生及其应用

光既可以携带自旋角动量,也可以携带轨道角动量。自1992年由Allen等提出光学轨道角动量的基本概念以来,光学轨道角动量已吸引了越来越多学者的研究兴趣。光学轨道角动量具有无限带宽以及不同模式相互正交等特点,这使得通过光学轨道角动量来传递信息变成一项十分有前景的技术。在概述光学轨道角动量基本概念的基础上,重点综述了在连续变量系统中利用四波混频过程制备光学轨道角动量复用的纠缠源,包括13对复用的连续变量纠缠确定性产生、9组光学轨道角动量复用的三组份纠缠的制备、基于66个光学轨道角动量模式的大规模量子网络的实现,以及光学轨道角动量复用纠缠源的最新应用,包括利用光学轨道角动量复用的连续变量纠缠实现9通道全光量子隐形传态以及光学轨道角动量复用型量子密集编码。