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光学谐振腔的传输特性

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

摘要: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.
关键词: 光学谐振腔/
传输函数/
噪声频谱/
量子噪声

English Abstract


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光学谐振腔作为现代光学应用中的一种重要光学器件, 可实现光学空间与频率模式过滤、噪声转换、增强激光辐射、非线性相互作用和光谱吸收等物理过程[1-13], 在激光物理学、量子光学、激光光谱学、精密测量等研究领域有着广泛的应用价值. 从几何光学的角度来讲, 关于光学谐振腔的基本特性, 如稳定性、几何损耗、谐振腔模模式等的研究已经比较透彻, 作为一种重要器件已实现了激光选模、波长调谐、高灵敏传感等应用. 然而, 关于光学谐振腔的基本功能特性, 如光学滤波、能量传输、噪声转换等特性的研究较少.
在实际应用中, 腔长、镜面参数与内腔损耗决定了光学谐振腔的光学频率带宽—线宽[8], 因此, 其透射场可作为光学低通滤波器, 抑制超出线宽范围的光场高频噪声; 而反射场与透射场相位相差180°, 可作为高通滤波器, 抑制线宽内的光场低频噪声. 例如, 在激光陀螺仪应用中, 利用超窄线宽光学谐振腔, 结合超低热膨胀系数材料可制作超稳腔, 利用其输出场大幅压窄激光线宽, 实现超稳窄线宽激光输出[14-16]. 在引力波探测中, 利用光学谐振腔反射场的高通滤波特性可实现低频强度噪声的抑制[17-20]; 通过滤波腔反射场实现压缩光噪声方位角的操控, 实现频率依赖的压缩真空态制备, 迎合干涉仪量子噪声谱, 实现全频段量子噪声抑制[21,22]. 以上关于光学谐振腔的应用均与光学谐振腔的相位传输特性相关. 因此, 从应用的功能特性来讲, 光学谐振腔是一种高精度的相敏检测器件, 通过相位可实现激光场强度、相位、频率的操控. 同时, 作为一种操控量子噪声的重要光学器件, 其损耗特性—能量传输特性(损耗等效于引入真空噪声)将决定量子噪声的抑制水平[23]. 然而, 目前针对激光束经过光学谐振腔后的传输过程的详细研究较少, 有必要进行详细讨论, 相关研究将提升光学谐振腔在微弱信号测量应用中的测量精度和灵敏度.
本文介绍了光学谐振腔的传输函数理论, 包括相位、能量和噪声传输特性. 依据谐振腔参数的不同, 对比分析了欠耦合腔、阻抗匹配腔和过耦合腔三种类型谐振腔的幅度与位相传输特性, 由此分析三种腔型的频谱与噪声传输特性, 为光学谐振腔在精密测量中的应用提供研究基础.
阻抗匹配因子a是光学谐振腔的一个重要参数, 与输入耦合镜的反射率${r_1}$以及内腔附加损耗$1 - r_{{\rm{loss}}}^2$有关, 如反射镜的吸收、散射损耗以及输出耦合镜的传输损耗$1 - r_2^2$. a的表达示为[24]
$a = \frac{{{r_1} - {r_2}{r_{{\rm{loss}}}}}}{{1 - {r_1}{r_2}{r_{{\rm{loss}}}}}},$
其中$r_1^2$, $r_2^2$代表输入和输出耦合镜的功率反射系数, $1 - r_{{\rm{loss}}}^2$损耗是由于反射镜的吸收和散射以及由于在腔中传输所构成的功率损耗. 按照阻抗匹配因子的大小, 可以将谐振腔分为三类: 当$a \in [ - 1, 0)$时, 为过耦合腔; 当$a = 0$时, 为阻抗匹配腔; 当$a \in (0, 1]$时, 为欠耦合腔. 在构建高精细度光学谐振腔的过程中, 要求腔镜具有低损耗特性, 因而阻抗匹配因子a对(1)式中的${r_1} - {r_2}{r_{{\rm{loss}}}}$比较敏感, 需要更精细地控制腔镜参数, 完成设计目标.
图1所示两镜光学腔为例, 左侧为腔的输入耦合镜${{\rm{M}}_1}$, 振幅反射率为${r_1}$, 透射率为${t_1}$, 其光强反射率和透射率分别为${R_1} = {| {{r_1}} |^2}$$T_1 = |t_1|^2$. 右侧为腔的输出耦合镜${{\rm{M}}_2}$, 振幅反射率为${r_2}$, 透射率为${t_2}$, 同样对应的光强反射率和透射率分别为$ {R_2} = |r_2|^2 $$ {T_2} = |t_2|^2 $. 对于一个有损耗δ的谐振腔, 即$r_{\rm loss} \,= $$ {{\rm{e}}^{ - \delta }}$, 当其满足谐振条件时, 腔的振幅反射函数${r_0}$、透射函数${t_0}$和内腔循环功率函数${t_{\rm{c}}}$表示为[25,26]
图 1 两镜腔结构简图
Figure1. Structure diagram of two-mirror cavity.

${r_0} = \frac{{{r_1} - {r_2}{{\rm{e}}^{ - \delta }}}}{{1 - {r_1}{r_2}{{\rm{e}}^{ - \delta }}}},$
${t_0} = - \frac{{{t_1}{t_2}\sqrt {{{\rm{e}}^{ - \delta }}} }}{{1 - {r_1}{r_2}{{\rm{e}}^{ - \delta }}}},$
${t_{\rm{c}}} = \frac{{{t_1}}}{{1 - {r_1}{r_2}{{\rm{e}}^{ - \delta }}}}.$
那么光强反射率为${R_0} = {\left| {{r_0}} \right|^2}$, 透射率为${T_0} = {\left| {{t_0}} \right|^2}$, 内腔循环功率为${T_{\rm{c}}} = {\left| {{t_{\rm{c}}}} \right|^2}$.
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2.1.光学谐振腔的能量传输特性
-->为了研究各种腔型的能量传输特性, 保持腔的输入、输出耦合镜的反射率之和${R_1} + {R_2} = 1.988$不变, 改变耦合镜反射率${R_1}$${R_2}$相对大小, 可以使腔分别处于欠耦合、阻抗匹配和过耦合状态. 腔输出的光强变化情况如图2(a)所示, 其中内腔损耗系数设为$ \delta = 0.5{\text{‰}}$, 此时内腔损耗为$1 - r_{{\rm{loss}}}^2= $$ 0.001$, 红色曲线表示腔的光强反射率, 绿色曲线表示腔的光强透射率, 蓝色曲线表示腔的光强反射率与透射率之和. 可以看出, 当腔处于欠耦合, 即${r_1} > {r_2}{{\rm{e}}^{ - \delta }}$时, 随着输出耦合镜反射率${R_2}$的增大, 腔的反射率逐渐减小, 透射率逐渐增加; 当腔处于阻抗匹配, 即${r_1}{{ = }}{r_2}{{\rm{e}}^{ - \delta }}$时, 腔的反射率到达最小值0, 透射最大; 当腔为过耦合腔, 即${r_1} < {r_2}{{\rm{e}}^{ - \delta }}$时, 腔的反射率逐渐增大, 透射率逐渐减小. 在整个腔从欠耦合到阻抗匹配再到过耦合变化的过程中, 腔的光强反射率与透射率之和逐渐减小, 且小于1. 从图2(b)可以看出, 内腔损耗系数一定的条件下, 随着反射率${R_2}$的增加, 内腔循环功率逐渐增加. 因此, 内腔功率损耗增加, 从而导致腔输出总功率降低; 当内腔损耗为零时, 则腔输出的总功率始终为1, 满足能量守恒.
图 2 不同腔型的特性 (a)能量传输特性; (b)循环功率特性
Figure2. Characteristics of different cavity types: (a) Energy transfer characteristic; (b) cyclic power characteristic.

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2.2.光学谐振腔的传输函数
-->传输函数$G\left( f \right)$可以表征光学谐振腔输入场到反射场在频率f处的相对功率波动[24], 表示为
$G\left( f \right) = g - \left( {g - 1} \right)h\left( f \right),$
$\left| {G\left( f \right)} \right| = \sqrt {\frac{{1 + {g^2} \cdot {{{f^2}} / {{f_0^2}}}}}{{1 + {{{f^2}} / {{f_0^2}}}}}} ,$
其中$g\left( a \right) = {1 / a}$. 参量$h(f) = {1 / {\left( {1 + {\rm{i}}{f / {{f_0}}}} \right)}}$表示腔的功率起伏的滤波效应, f为入射光的边带频率, ${f_0}$为腔的线宽. 假设腔的输入镜反射率${R_1}{{ = }}0.99$, 内腔损耗$1 - r_{{\rm{loss}}}^2{{ = }}0.001$, 输出镜的反射率${R_2}{{ = }}0.99$, 由(1)式计算获得$a = 0.0474$, 则$g = 21$. 图3为该谐振腔传输函数$G\left( f \right)$模的大小和位相的变化, 横坐标为分析频率f, 归一化到谐振腔的线宽${f_0}$. 绿色曲线表示传输函数的模$\left| {G\left( f \right)} \right|$f的变化情况. 在f较小时, 传输函数$\left| {G\left( {f \to 0} \right)} \right| = 1$. 随f的增大, 传输函数$\left| {G\left( f \right)} \right|$不断增加. f较大时, 传输函数$\left| {G\left( {f \to \infty } \right)} \right| \to 21$, 即$\left| {G\left( {f \to \infty } \right)} \right| \to g$, 增益因子$\left| g \right|$限制了传输函数$\left| {G\left( f \right)} \right|$在高频处的最大值. 如果要获得高的增益, 可以使谐振腔处于近阻抗匹配(即$\left| a \right| \ll 1$, 但是$a \ne 0$). 图3中的红色和蓝色曲线分别为在谐振腔处于欠耦合($a = 0.0474$, $g = 21$)和过耦合($a = - 0.0474$, $g = - 21$)时的传输函数$G\left( f \right)$的相位随频率的变化趋势. 对于欠耦合谐振腔, 传输函数$G\left( f \right)$的相位为正相位, 随着频率的增加, 相位先从0°增加到65.4° ($f = 0.22$), 然后减小到0°; 对于过耦合谐振腔, 传输函数$G\left( f \right)$的相位为负相位, 随着频率的增加, 相位从0°到–180°单调变化. 通过以上讨论可知, 可以将谐振腔看作是一个与分析频率f有关的分束器或滤波器.
图 3 传输函数$G\left( f \right)$随频率f的变化
Figure3. Diagram of the transfer function $G\left( f \right)$ with respect to frequency f.

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3.1.反射场的强度与位相
-->上面讨论的是光学谐振腔满足谐振条件的情况, 当考虑谐振腔存在一定的失谐量时, 其反射场的振幅可以表示为[9]
$r(\varDelta ) = \frac{{{r_1} - {r_2}\exp ({\rm{i}}2{\rm{\pi }}\varDelta /F)}}{{1 - {r_1}{r_2}\exp ({\rm{i}}2{\rm{\pi }}\varDelta /F)}},$
$\varDelta = (f - f_{\rm c})/ f_0,$
其中, Δ为分析频率f和腔共振频率${f_{\rm{c}}}$之间相对于腔线宽${f_0}$的失谐量, $F = \dfrac{{{\text{π}}{{\left( {{R_1}{R_2}} \right)}^{{1 / 4}}}}}{{1 - \sqrt {{R_1}{R_2}} }}$为腔的精细度. 令${\theta _{\rm{R}}}\left( \varDelta \right)$$r\left( \varDelta \right)$的相位, 可以表示为
$\exp \left[ {{\rm{i}}{\theta _{\rm{R}}}\left( \varDelta \right)} \right] = r(\varDelta)/|r(\varDelta)|. $
下面讨论各类腔型的光强反射率随Δ的变化情况. 图4为腔的光强反射率和反射位相${\theta _{\rm{R}}}$与失谐量Δ的关系图, 蓝线表示腔的光强反射率, 红线表示位相${\theta _{\rm{R}}}$, 横坐标为腔的失谐量Δ, 图4(a)为过耦合腔时的光强反射率和位相随Δ的变化关系, 其输入镜的反射率${R_1}{{ = }}0.99$, 输出镜的反射率${R_2}{{ = }}0.998$. 腔在远失谐$\left| \varDelta \right| \gg {\rm{0}}$时, 输入腔的光场几乎被全部反射, 此时反射率近似为1. 腔在逐渐向共振条件靠近时, 部分光场进入腔内, 并透出腔体, 腔的光强反射率逐渐减小. 在满足光场与腔谐振条件$\varDelta {{ = 0}}$时, 腔的光强反射率达到最小值. 同时, 过耦合腔的反射位相${\theta _{\rm{R}}}$变化范围较大, 从谐振点到远失谐状态, 对应位相由0逐渐过渡到2π. 当腔处于负的远失谐时, 位相${\theta _{\rm{R}}}$接近于0. 当腔完全满足谐振条件时, 位相${\theta _{\rm{R}}} = {\text{π}}$; 处于半失谐时, ${\theta _{\rm{R}}} = {{\text{π}} / 2}$$3{{\text{π}} / 2}$; 腔处于正的远失谐时, 位相${\theta _{\rm{R}}}$则接近2π. 图4(b)为欠耦合腔时的光强反射率和位相随Δ的变化关系, 其输入镜的反射率${R_1}{{ = }}0.998$, 输出镜的反射率${R_2}{{ = }}0.99$. 欠耦合腔的光强反射率变化情况与过耦合腔的相同, 而位相${\theta _{\rm{R}}}$没有过耦合腔的变化范围大, 从接近–0.06π变化到+0.06π附近. 腔处于远失谐$\left| \varDelta \right| \gg {\rm{0}}$时, 位相${\theta _{\rm{R}}} \to 0$; $\varDelta {{ = 0}}$时, 位相${\theta _{\rm{R}}} = 0$. 图4(c)为阻抗匹配腔的光强反射率和位相随Δ的变化关系, 其反射率${R_1}={R_2}= $$ 0.994$. 腔在远失谐$|\varDelta | \gg 0$时, 反射率近似为1. 腔在逐渐向共振条件靠近时, 光强反射率逐渐减小. 区别于过耦合和欠耦合腔, 在$\varDelta = 0$时, 阻抗匹配腔的光强反射率为0. 而位相${\theta _{\rm{R}}}$与欠耦合腔类似, 腔在远失谐$|\varDelta | \gg 0$时, 位相${\theta _{\rm{R}}} \to 0$, 当在接近共振条件$\varDelta \to {\rm{0}}$时, 位相${\theta _{\rm{R}}} \to {{ - {\text{π}}} / 2}$${{\text{π}} / 2}$, 即在共振点附近位相变化比较灵敏.
图 4 光学谐振腔光强反射率和反射位相${\theta _{\rm{R}}}$与失谐量Δ的关系 (a) 过耦合腔, ${R_1} = 0.99$, ${R_2} = 0.998$; (b)欠耦合腔, ${R_1} = 0.998$, ${R_2} = 0.99$; (c)阻抗匹配腔, ${R_1} = {R_2} $$ = 0.994$
Figure4. Relations between optical intensity reflectivity and reflection phase ${\theta _R}$ and detuning Δ in optical resonator: (a) Over-coupled cavity, ${R_1}{{ = }}0.99$, ${R_2} = 0.998$; (b) under-coupled cavity, ${R_1} = 0.998$, ${R_2} = 0.99$; (c) impedance matched cavity, ${R_1} = R_2 = 0.994$.

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3.2.输出场的噪声特性
-->下面讨论光学谐振腔的噪声传输特性, 为了方便分析, 以图5三镜环形谐振腔为例分析噪声传递特性. 三镜环形谐振腔是当前量子噪声操控的主要谐振腔器件, 相比两镜驻波腔, 三镜腔更容易实现输入光场和输出光场的空间分离, 可有效避免反射光返回上游光路, 引入后向反馈噪声. 输入场${A_{{\rm{in1}}}}$由输入镜${{\rm{M}}_1}$注入腔内, 其反射光场为${A_{{\rm{out1}}}}$. 真空场${A_{{\rm{in2}}}}$从右侧的输出镜${{\rm{M}}_2}$进入腔内, 透射光场为${A_{{\rm{out2}}}}$. 其中腔镜${{\rm{M}}_3}$是镀有高反膜的凹面镜, 在这里不考虑真空场. 对于一个谐振腔, 输出场${A_{{\rm{out1}}}}$, ${A_{{\rm{out2}}}}$与输入场${A_{{\rm{in1}}}}$, ${A_{{\rm{in2}}}}$的关系为[24]
${A_{{\rm{out1}}}} = \frac{{\left( {a + {\rm{i}}{f / {{f_0}}}} \right){A_{{\rm{in1}}}} + \sqrt {1 - {a^2}} {A_{{\rm{in2}}}}}}{{1 - {\rm{i}}{f / {{f_0}}}}},$
${A_{{\rm{out2}}}} = \frac{{\left( { - a + {\rm{i}}{f / {{f_0}}}} \right){A_{{\rm{in2}}}} + \sqrt {1 - {a^2}} {A_{{\rm{in1}}}}}}{{1 - {\rm{i}}{f / {{f_0}}}}},$
其中f为输入场${A_{{\rm{in1}}}}$的边带频率, ${f_0}$为腔的线宽.
图 5 三镜环形谐振腔的噪声模型
Figure5. Noise model of three-mirror annular resonator.

在测量振幅较大、波动较小的光场时, 可将算符做线性化处理. 因此算符${A_{{\rm{in1}}}}$${A_{{\rm{in2}}}}$可写为
${A_{{\rm{in1}}}} = \alpha + {\rm{\delta }}{A_{{\rm{in1}}}},$
${A_{{\rm{in2}}}} = {\rm{\delta }}{A_{{\rm{in2}}}},$
其中, α是与时间无关的载频振幅, ${\rm{\delta }}{A_{{\rm{in1}}}}$${\rm{\delta }}{A_{{\rm{in2}}}}$表示光场的小波动, ${\rm{\delta }}{A_{{\rm{in1}}}}$${\rm{\delta }}{A_{{\rm{in2}}}}$的期望值均为零. 输入光场${A_{{\rm{in1}}}}$的经典振幅对应于α, 由于输入光场${A_{{\rm{in2}}}}$为真空场, 它的平均场为零, 只有起伏项${\rm{\delta }}{A_{{\rm{in2}}}}$. 将其代入(10)式和(11)式可得:
$\begin{split}&{A_{{\rm{out1}}}} \\=\;& \frac{{\left( {a + {\rm{i}}{f / {{f_0}}}} \right)\alpha + \left( {a + {\rm{i}}{f / {{f_0}}}} \right){\rm{\delta }}{A_{{\rm{in1}}}} + \sqrt {1 - {a^2}} {\rm{\delta }}{A_{{\rm{in2}}}}}}{{1 - {\rm{i}}{f / {{f_0}}}}},\end{split}$
$\begin{split}&{A_{{\rm{out2}}}}\\=\;& \frac{{\sqrt {1 - {a^2}} \alpha + \left( { - a + {\rm{i}}{f / {{f_0}}}} \right){\rm{\delta }}{A_{{\rm{in2}}}} + \sqrt {1 - {a^2}} {\rm{\delta }}{A_{{\rm{in1}}}}}}{{1 - {\rm{i}}{f / {{f_0}}}}}.\end{split}$
同理, 腔的反射光场${A_{{\rm{out1}}}}$和透射光场${A_{{\rm{out2}}}}$也可以写为
${A_{{\rm{out1}}}} = {\alpha _{{\rm{out1}}}} + {\rm{\delta }}{A_{{\rm{out1}}}},$
${A_{{\rm{out2}}}} = {\alpha _{{\rm{out2}}}} + {\rm{\delta }}{A_{{\rm{out2}}}}.$
代入(14)式和(15)式可得
${\rm{\delta }}{A_{{\rm{out1}}}}{{ = }}\frac{{\left( {a + {\rm{i}}{f / {{f_0}}}} \right){\rm{\delta }}{A_{{\rm{in1}}}} + \sqrt {1 - {a^2}} {\rm{\delta }}{A_{{\rm{in2}}}}}}{{1 - {\rm{i}}{f / {{f_0}}}}},$
${\rm{\delta }}{A_{{\rm{out2}}}}{{ = }}\frac{{\left( { - a + {\rm{i}}{f / {{f_0}}}} \right){\rm{\delta }}{A_{{\rm{in2}}}} + \sqrt {1 - {a^2}} {\rm{\delta }}{A_{{\rm{in1}}}}}}{{1 - {\rm{i}}{f / {{f_0}}}}}.$
反射光场 ${A_{{\rm{out1}}}}$ 和透射光场 ${A_{{\rm{out2}}}}$ 的起伏量分别为${\rm{\delta }}{A_{{\rm{out1}}}}$${\rm{\delta }}{A_{{\rm{out2}}}}$, 则可推导出方差${\rm{Var}}\left( {{\rm{\delta }}{A_{{\rm{out1}}}}} \right)$${\rm{Var}}\left( {{\rm{\delta }}{A_{{\rm{out2}}}}} \right)$分别为
$\begin{split} &{\rm{Var}}\left( {{\rm{\delta }}{A_{{\rm{out1}}}}} \right)\\ =\;&\frac{{{{\left| {a + {\rm{i}}{f / {{f_0}}}} \right|}^2}{\rm{Var}}\left( {{\rm{\delta }}{A_{{\rm{in1}}}}} \right) + \left( {1 - {a^2}} \right){\rm{Var}}\left( {{\rm{\delta }}{A_{{\rm{in2}}}}} \right)}}{{{{\left| {1 - {\rm{i}}{f / {{f_0}}}} \right|}^2}}} \\ = \;&\frac{{\left( {{a^2} + {{{f^2}} / {f_0^2}}} \right){\rm{Var}}\left( {{\rm{\delta }}{A_{{\rm{in1}}}}} \right) + \left( {1 - {a^2}} \right)}}{{1 + {{{f^2}} / {f_0^2}}}}, \\[-10pt]\end{split} $
$\begin{split}& {\rm{Var}}\left( {{\rm{\delta }}{A_{{\rm{out2}}}}} \right)\\ =\;&\frac{{{{\left| { - a + {\rm{i}}{f / {{f_0}}}} \right|}^2}{\rm{Var}}\left( {{\rm{\delta }}{A_{{\rm{in2}}}}} \right) + \left( {1 - {a^2}} \right){\rm{Var}}\left( {{\rm{\delta }}{A_{{\rm{in1}}}}} \right)}}{{{{\left| {1 - {\rm{i}}{f / {{f_0}}}} \right|}^2}}} \\ =\;& \frac{{\left( {{a^2} + {{{f^2}} / {f_0^2}}} \right) + \left( {1 - {a^2}} \right){\rm{Var}}\left( {{\rm{\delta }}{A_{{\rm{in1}}}}} \right)}}{{1 + {{{f^2}} / {f_0^2}}}}. \\[-10pt]\end{split} $
将所有算符转化为傅里叶空间后, 利用谱方差计算功率噪声的双边功率谱S,
$\begin{split}\;&{S_{{\rm{out1}}}} = \frac{{{\rm{Var}}\left( {{\rm{\delta }}{A_{{\rm{out1}}}}} \right)}}{{\left\langle {{N_{{\rm{out1}}}}} \right\rangle }} \\= \;&\frac{{\left( {{a^2} + {{{f^2}} / {f_0^2}}} \right){\rm{Var}}\left( {{\rm{\delta }}{A_{{\rm{in1}}}}} \right) + \left( {1 - {a^2}} \right)}}{{1 + {{{f^2}} / {f_0^2}}}}\frac{1}{{{\alpha ^2}}},\end{split}$
$\begin{split}\;&{S_{{\rm{out2}}}} = \frac{{{\rm{Var}}\left( {{\rm{\delta }}{A_{{\rm{out2}}}}} \right)}}{{\left\langle {{N_{{\rm{out2}}}}} \right\rangle }} \\= \;&\frac{{\left( {{a^2} + {{{f^2}} / {f_0^2}}} \right) + \left( {1 - {a^2}} \right){\rm{Var}}\left( {{\rm{\delta }}{A_{{\rm{in1}}}}} \right)}}{{1 + {{{f^2}} / {f_0^2}}}}\frac{1}{{{\alpha ^2}}}.\end{split}$
在实验中常采用单边线性谱密度, 表示为$s = \sqrt {2 S} $. 对于一束功率为P和光子能量为${{hc} / \lambda }$的相干光, 平均光子流为$\overline n = {\alpha ^2} = {{P\lambda } / {(hc)}}$, 这束光的相对功率噪声表示为${S_{\rm{q}}} = {1}/{{{\alpha ^2}}}$. 假设输入光场自身的噪声为20 dB, 则输出光场与输入光场的噪声比值为${{{S_{{\rm{out}}}}} / {{S_{\rm{q}}}}}$, 相对于输入光场, 输出光场的相对功率噪声随f的变化趋势如图6(a)图6(b)所示, 横坐标为输入光场的傅里叶频率f, 归一化到腔的线宽, 两图中红色和蓝色曲线分别为腔的反射光场和透射光场的量子噪声限制. 图6(a)为腔镜反射率为${R_1}{{ = }}{R_2}{{ = }}0.994$的阻抗匹配腔(内腔损耗为0)的情况, 此时阻抗匹配因子$a = 0$, 可以看出, 反射光场的相对功率噪声随频率的增大而增大, 在低频处噪声较低; 而透射光场的相对功率噪声随频率的增大而减小, 在高频处噪声较低; 当频率$f{{ = }}1$时, 反射光场与透射光场的噪声相等. 图6(b)为腔镜反射率为${R_1}{{ = }}0.99$, ${R_2}{{ = }}0.998$的过耦合腔或腔镜反射率为${R_1}{{ = }}0.998$, ${R_2}{{ = }}0.99$的欠耦合腔(内腔损耗为0)的情况, 此时阻抗匹配因子$a = - 0.6678$$a = 0.6678$, 可以发现, 腔的反射光场在低频处的噪声较高, 并不能达到很好的降噪效果.
图 6 腔输出场的量子噪声限制 (a)阻抗匹配腔中噪声随频率的变化; (b)非阻抗匹配腔中噪声随频率的变化; (c)反射光场噪声随阻抗匹配因子a的变化
Figure6. Quantum noise limitation of cavity output field: (a) Variation of noise with frequency in impedance matched cavity; (b) variation of noise with frequency in a non-impedance matched cavity; (c) variation of noise of the reflected light field with impedance matching factor a.

为进一步研究腔的反射光场降噪效果与阻抗匹配因子a的关系, 取频率${f / {{f_0}}}{{ = }}0.01$, 使阻抗匹配因子a从–1到1变化, 反射光场的噪声结果如图6(c)所示. 可以看出, 只有当腔处于阻抗匹配或近阻抗匹配时, 才能达到较好的降噪效果.
结合以上分析可知, 谐振腔完全满足谐振条件时, 其输出场可看作低通滤波器, 高频噪声直接被反射, 输出端高频噪声被大幅抑制, 远大于线宽频率处的噪声达到散粒噪声基准. 因而, 可通过窄线宽的光学谐振腔大幅抑制超出线宽范围的光场噪声. 同时, 从三种类型光学谐振腔的位相关系图中可以发现, 过耦合腔处于半失谐状态时, 相对于载频处, 边带频率的位相旋转 ± 90°, 因而在这种情况下过耦合腔可将光场位相噪声转换为振幅噪声, 可用于位相噪声的测量[9]或压缩光压缩角的旋转[21,22,27], 对激光噪声分量的分析和量子噪声的操控具有重要的应用价值.
本文通过光学谐振腔的传输函数、噪声传递模型, 理论分析了过耦合腔、阻抗匹配腔与欠耦合腔三种腔型结构的位相、强度、噪声的频谱特性和能量传输特性. 依据噪声的频谱分析结果, 反射场可等效为高通滤波器, 透射场可等效为低通滤波器; 依据相位的频谱分析结果, 区别于阻抗匹配与欠耦合腔较小的位相变化, 过耦合腔反射场可实现0—2π范围内的位相操控, 当处于半失谐时, 位相变化π/2, 输入场位相噪声完全转换为振幅噪声, 可用于位相噪声的测量与量子噪声方位角的操控. 同时, 在三类腔型结构中, 过耦合腔输出场能量损耗最大. 本文分析结果为各种光学谐振腔在不同场合的应用提供了依据, 为利用光学谐振腔操控光场量子噪声, 提升精密测量的精度提供了保障.
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    本站小编 Free壹佰分学习网 2022-09-19
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    摘要:高功率单频光纤激光在引力波探测、非线性频率变换等领域有重要的应用需求,其输出功率的提升面临横向模式不稳定和非线性效应等因素带来的技术挑战,而长锥形增益光纤具有综合抑制横向模式不稳定效应和非线性效应的潜力.为进一步提升全光纤结构单频光纤激光器的输出功率,国防科技大学自主研制了一段长度为2.2m的 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 光纤激光基模光束的<inline-formula><tex-math id="Z-20211020125256">\begin{document}${\
    摘要:光纤激光器凭借其优良特性已在众多领域中得到广泛应用,光束质量是衡量其性能的重要指标之一.$M^2$因子是应用较为广泛的一种评价因子,但已被证明并不适用于非高斯分布的光斑,此时常用β因子来评价.本文以光纤激光基模光束为研究对象,理想光束选取包含LP01模99%能量的圆形实心均匀光束,理论研究了β ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 飞秒激光辐照二硫化钨的超快动态响应及时域整形调制
    摘要:飞秒激光加工作为一种高效可控的调制手段,其辐照所引起的材料电离可以对激光脉冲在材料内部的能量传递和沉积产生重要影响,进而调控材料的表面形貌和化学组分.因此,本文重点研究了飞秒激光辐照二硫化钨的烧蚀特性并利用等离子体模型对辐照过程中材料的超快响应以及能量的传递、吸收进行计算分析.研究发现,烧蚀坑 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 空间约束结合梯度下降法提高铝合金中Fe成分激光诱导击穿光谱技术检测精度
    摘要:铝合金中Fe元素的含量直接影响合金的塑性、耐热性、强度及抗应力腐蚀性能,其成分的定量分析是合金成分在线检测的重要环节.为了提高铝合金中Fe元素定量分析精度,把空间约束纳秒激光诱导击穿光谱技术与梯度下降法相结合.通过采集激光诱导铝合金等离子体发射光谱,发现在平板空间约束下的等离子体辐射强度有明显 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • Be, Si掺杂调控GaAs纳米线结构相变及光学特性
    摘要:GaAs基半导体掺杂技术通过在禁带中引入杂质能级,对其电学及光学特性产生决定性作用,当GaAs材料降维到一维纳米尺度时,由于比表面积增加,容易出现纤锌矿-闪锌矿共存混相结构,此时GaAs纳米线掺杂不仅能调节其电光特性,对其结构相变也具有显著调控作用.本文研究了Be,Si掺杂对砷化镓(GaAs) ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 中子辐照对掺镱光纤材料光学特性的影响
    摘要:采用改进型化学气相沉积法结合稀土螯合物掺杂制备了系列掺镱光纤预制棒及光纤,并测试了光纤(预制棒)辐照、退火前后的光学性能.结果表明:中子辐照后掺镱光纤材料中与Al相关的缺陷浓度增多,导致光纤材料在可见光区域吸收损耗增加.Ce离子的掺杂可缓减铝氧空位中心(Al-OHC)等色心缺陷的增加,从而有效 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 光学腔中一维玻色-哈伯德模型的奇异超固相
    摘要: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 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • “天光一号”驱动的聚苯乙烯高压状态方程测量
    摘要:聚苯乙烯等CH材料的高压状态方程研究对于ICF聚变点火具有重要意义.本文基于“天光一号”长脉冲激光装置开展了聚苯乙烯高压状态方程研究,理论模拟了靶内的冲击动力学过程,采用侧向阴影成像技术实验测量了不同厚度的聚苯乙烯平面靶和飞片靶,获得了靶内的冲击波速度与粒子速度等状态方程参数.结果表明:长脉冲 ...
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  • 皮秒激光驱动下的背向受激布里渊散射的光谱结构
    摘要:激光等离子体相互作用(LPI)是激光等离子体相关研究中的重要内容,皮秒激光的出现为在皮秒时间尺度内更加细致地研究LPI过程提供了可能.LPI相关的时间尺度通常是皮秒量级的,这一研究有望从更精细的角度来获得认识.依托神光-Ⅱ升级及皮秒激光装置,开展了皮秒激光驱动LPI的实验研究.实验给出了背向受 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 双光梳非线性异步光学采样测距中关键参数的数值分析
    摘要:双光梳异步光学采样的绝对测距方法具有量程大、测速快和精度高等特点,在几何量精密测量领域具有广泛的应用前景.特别地,结合异步光学采样和非线性强度互相关的倍频信号时域探测方法,可以有效避免测量过程中载波包络偏移频率对测距精度的影响.本文针对双光梳非线性异步光学采样绝对测距系统,对影响其测距精度的理 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29