CN211669852U - 双折射干涉仪及基于双折射干涉仪的量子光学实验装置 - Google Patents
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Abstract
双折射干涉仪及基于双折射干涉仪的量子光学实验装置，其中双折射干涉仪包括形成第一光路和第二光路的第三偏振分束器、第二晶体、第三晶体、多个反射镜；第三偏振分束器包括作为输入的端口Port 0和端口Port 1、与端口Port 0对应的作为输出的端口Port 5、与端口Port 1对应的作为输出的端口Port 4，还包括分束后的端口Port 2和端口Port 3；第一光路为端口Port 0的光束依次经过第三偏振分束器、端口Port 2、第二晶体、第三偏振分束器的端口Port 4，第二光路为端口Port 1的光束依次经过第三偏振分束器、端口Port 3、第三晶体、第三偏振分束器的端口Port 5，第一光路和第二光路中的光束经过所有的反射镜折转光路。在实际实验中，这些端口接入不同的模块，可实现不同的实验功能。
Description
技术领域
本实用新型涉及量子光学、双折射干涉仪技术领域，尤其涉及双折射干涉仪及基于双折射干涉仪的量子光学实验装置。
背景技术
自1807年杨氏双缝干涉的开创性工作以来，光学干涉仪已经成为现代科学技术研究光的基本性质的基本工具，在各个科学领域有着广泛的应用。例如，用干涉仪来研究光子的波粒二象性和量子源的非经典效应。自狄拉克以来，人们对光子干涉的基本认识一直存在争议。在狄拉克看来，光子只能干涉它自己。这种观点在解释Ⅰ型或Ⅱ型自发参量下转换过程产生的双光子干涉时遇到了一些问题。后来，物理学家更新了狄拉克的观点，因为一对光子只会干扰这对光子本身。一旦我们知道了光子在某一干涉过程中的行为，我们就可以更好地将这种行为应用到基于光子干涉的高精度测量中。大多数物理量的测量，包括位置、位移、距离、角度、光频散和光路长度，通常取决于特定干涉条纹或模式的解码参数。如何在单个干涉条纹中获得稳定的干涉条纹和更多的参数是基于干涉的精密光学计量学长期追求的目标。
干涉仪是揭示光的本质和进行精密光学测量的重要仪器之一，虽然已经进行了许多实验来探测不同配置下的光子行为，但截止到目前，还没有一套实验装置能对双折射干涉仪中的光子行为进行完整的研究。
实用新型内容
为了实现对双折射干涉仪中的光子行为进行完整的研究，更好地理解双折射干涉仪中双光子干涉的行为，为此，本实用新型提供双折射干涉仪及基于双折射干涉仪的量子光学实验装置。本实用新型采用以下技术方案：
双折射干涉仪，包括形成第一光路和第二光路的第三偏振分束器、第二晶体、第三晶体、多个反射镜，所述反射镜用于折转光路，且保证第一光路和第二光路在相同的反射镜上有横向距离；所述第三偏振分束器包括作为输入的端口Port 0和端口Port 1、与端口Port 0对应的作为输出的端口Port 5、与端口Port 1对应的作为输出的端口Port 4，还包括分束后的端口Port 2和端口Port 3；所述第一光路为所述端口Port 0的光束依次经过第三偏振分束器、端口Port 2、第二晶体、第三偏振分束器的端口Port 4，所述第二光路为所述端口Port 1的光束依次经过第三偏振分束器、端口Port 3、第三晶体、第三偏振分束器的端口Port 5，第一光路和第二光路中的光束经过所有的反射镜折转光路。
具体地说，反射镜包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜，所述第一反射镜设置在第三偏振分束器与第二晶体的光路之间，所述第二反射镜设置在第二晶体与第三晶体的光路之间，所述第三反射镜设置在第三晶体与第三偏振分束器的光路之间。
具体地说，所述第二晶体的下方设置有使其相对于水平极化方向旋转的旋转台，所述第二晶体外还设置有控制其温度的第一温度控制器，所述第二晶体的环境温度可调；所述第三晶体固定在支撑台上，所述第三晶体外还设置有使其在设定温度下的第二温度控制器。
具体地说，所述第二晶体和第三晶体均为磷酸钛钾晶体，且尺寸相同，端面表面镀膜AR@1550nm，且均沿X轴切割。
基于上述的双折射干涉仪的量子光学实验装置，还包括光子对产生模块、用于分别调制和传输水平偏振光和垂直偏振光的第一光子调制与传输模块和第二光子调制与传输模块，所述双折射干涉仪端口Port 0和端口Port 1分别对应接收第一光子调制与传输模块和第二光子调制与传输模块信号，端口Port 4和端口Port 5分别与测量模块的两输入端对应连接。
具体地说，所述光子对产生模块包括依光路设置的半导体激光器、聚焦透镜、第一晶体、准直透镜、第一偏振分束器。
具体地说，所述第一光子调制与传输模块和第二光子调制与传输模块均包括依光路设置的偏振调制组件、长通滤波器、第二偏振分束器。
具体地说，所述长通滤波器和第二偏振分束器之间通过光纤耦合头连接有单模光纤。
具体地说，所述偏振调制组件包括半波片和四分之一波片。
具体地说，所述第一晶体为Ⅱ型周期性极化KTP晶体。
本实用新型的优点在于：
(1)本实用新型双折射干涉仪在光子传输路径上，预留了端口Port 0、端口Port1、端口Port 2、端口Port 3、端口Port 4、端口Port 5。在实际实验中，这些端口接入不同的模块，可实现不同的实验功能。
(2)本实用新型可实现对多种光子干涉现象的观测，一些现象在其他实验装置中从未被观察到过，具有很强的运用前景。本实用新型对于更好地理解双折射干涉仪中双光子干涉的行为和量子增强的精密光学计量学具有重要的意义。
(3)光子对产生模块，用于产生一对正交的偏振纠缠光子，并将水平偏振光子和垂直偏振光子沿两个方向输出。
(4)第一光子调制与传输模块和第二光子调制与传输模块用于控制调节光子的偏振特性并且将光子稳定地传输至之后的实验模块中，在光子对产生模块后设置两个光子调制与传输模块，用于分别调制与传输水平偏振光和垂直偏振光。
(5)本实用新型可实现多种光子干涉的实验现象观测；可实现对Hong-Ou-Mandel干涉现象的观测；可实现对单光子现象的观测；可实现对双光子现象的观测。
附图说明
图1为本实用新型模块化连接图。
图2为光子对产生模块的结构图。
图3为光子调制与传输模块的结构图。
图4为双折射干涉仪模块的结构图。
图5为测量模块的结构图。
图6为Hong-Ou-Mandel干涉现象符合数拟合曲线示意图。
图7为单光子现象实验一符合数拟合曲线。
图8为单光子现象实验二符合数拟合曲线。
图9为双光子现象实验一符合数拟合曲线。
图10为双光子现象实验二符合数拟合曲线。
图中标注符号的含义如下：
1-光子对产生模块
11-半导体激光器 12-聚焦透镜 13-第一晶体 14-准直透镜
15-第一偏振分束器
201-第一光子调制与传输模块 202-第二光子调制与传输模块
21-半波片 22-四分之一波片 23-长通滤波器 24-第一光纤耦合头
25-单模光纤 26-第二光纤耦合头 27-第二偏振分束器
3-双折射干涉仪
31-第三偏振分束器 32-第一反射镜 33-第二晶体 34-第二反射镜
35-第三晶体 36-第三反射镜
4-测量模块
41-符合计数器 42-第一单光子探测器 43-第二单光子探测器
具体实施方式
实施例1
如图4所示，双折射干涉仪，包括形成第一光路和第二光路的第三偏振分束器31、第二晶体33、第三晶体35、多个用于折转光路的反射镜，在该方案中包括第一反射镜32、第二反射镜34、第三反射镜36。所述第一反射镜32设置在第三偏振分束器31与第二晶体33的光路之间，所述第二反射镜34设置在第二晶体33与第三晶体35的光路之间，所述第三反射镜36设置在第三晶体35与第三偏振分束器31的光路之间。
所述第三偏振分束器31包括作为输入的端口Port 0和端口Port 1、与输入端口Port 0对应的作为输出的端口Port 5、与端口Port 1对应的作为输出的端口Port 4，还包括分束后的端口Port 2和端口Port 3。
所述第一光路为所述输入端口Port 0的光束依次经过第三偏振分束器31、端口Port 2、第一反射镜32、第二晶体33，第二反射镜34、第三反射镜36、第三偏振分束器31的端口Port 4，所述第二光路为所述端口Port 1的光束依次经过第三偏振分束器31、端口Port3、第三反射镜36、第三晶体35、第二反射镜34、第一反射镜32、第三偏振分束器31的端口Port 5，第一光路和第二光路中的光束经过所有的反射镜折转光路。在实际实验中，不同端口接入不同的模块，可实现不同的实验功能。某些端口如果接入了后续模块，即光子会进入到接入的模块中；如果端口没有启用，光子的传输不会受端口影响，会沿原始路径传播下去。
第三偏振分束器31用于将到达其界面的光束按1：1的比例分束，将光束分为第一光路和第二光路，分别沿顺时针方向和逆时针方向传播。
第二晶体33用于实验测量，其为磷酸钛钾(KTP)晶体，尺寸为5×5×8mm，端面表面镀膜AR@1550nm，晶体沿x轴切割，使得光束沿晶体的x轴传播，第二晶体33被安装在旋转台上，使其位置相对于水平极化方向可以旋转。第二晶体33的温度由温度控制器控制，温度值从17.810(±0.002)℃到45.670(±0.002)℃可调。
第三晶体35用于补偿第一光路和第二光路之间的光程差，其为磷酸钛钾(KTP)晶体，尺寸为5×5×8mm，端面表面镀膜AR@1550nm，晶体沿x轴切割，使得光束沿晶体的x轴传播。第三晶体35被安装在固定支撑台上。晶体35的温度由温度控制器控制，晶体35的温度保持在一个常数22.300(±0.002)℃。
反射镜表面均为HR@1550nm镀膜，其作用均用于折转光路。通过调整反射镜间角度的微小差距，使顺时针传播的光路和逆时针传播的光路有一定的横向距离，用于放置第二晶体33和第三晶体35。另外，由于干涉仪两臂上的光束呈反向传播，因此两束光束对环境扰动(如温度波动和振动)的敏感性几乎相同，因此，两臂的相对相位变化被抵消，两臂之间的相对相位稳定可以保持数小时。
实施例2
基于实施例1中双折射干涉仪的量子光学实验装置，如图1所示，还包括光子对产生模块1、用于分别调制和传输水平偏振光和垂直偏振光的第一光子调制与传输模块201和第二光子调制与传输模块202，所述端口Port 0和端口Port1分别对应接收第一光子调制与传输模块201和第二光子调制与传输模块202信号，端口Port 4和端口Port 5分别与测量模块4的两输入端对应连接。
光子对产生模块1用于产生一对正交的偏振纠缠光子，并将水平偏振光子和垂直偏振光子沿两个方向输出。第一光子调制与传输模块201和第二光子调制与传输模块202用于控制调节光子的偏振特性并且将光子稳定地传输至之后的实验模块中。测量模块4用于检测记录实验结果。
以下分别对其他各模块进行详细描述：
光子对产生模块1
如图2所示，所述光子对产生模块1包括依光路设置的半导体激光器11、聚焦透镜12、第一晶体13、准直透镜14、第一偏振分束器15。
所述半导体激光器11为一个半导体连续激光，其为整个系统提供初始光束作为泵浦光束。泵浦光束的中心波长为775nm，线宽小于1MHz，输出功率大于20mW。
聚焦透镜12表面镀膜为AR@775nm，焦距f1@775nm，其作用是将入射光束聚焦在第一晶体13的中心。
第一晶体13为Ⅱ型周期性极化KTP晶体，具体的为PPKTP，长度为2mm，极化周期为46.2μm，针对775nm光束的简并位相匹配温度为30.030(±0.002)℃，上述泵浦光子经晶体13作用后会产生一对正交偏振的光子对。
准直透镜14表面镀膜为AR@1550nm，焦距f2@1550nm，f2＝f1，其作用是将汇聚光束进行准直。
第一偏振分束器15表面镀膜为AR@1550nm，其作用是将上述第一晶体13产生的一对正交偏振的光子对分离开，其中水平偏振光从水平方向透射出去，垂直偏振光发生90°折转射出。
光子调制与传输模块
第一光子调制与传输模块201和第二光子调制与传输模块202的结构相同，现在以其中的一个为例进行描述，如图3所示，包括依光路设置的偏振调制组件、长通滤波器23、第二偏振分束器27，为了更好的滤波，所述长通滤波器23和第二偏振分束器27之间通过光纤耦合头连接有单模光纤25，即位于单模光纤25两端的第一光纤耦合头24和第二光纤耦合头26。单模光纤25工作波长为1550nm。
所述偏振调制组件包括半波片21和四分之一波片22，半波片21和四分之一波片22共同作用，用于控制和调节光子的偏振特性，二者的工作波长均为1550nm。
长通滤波器23表面镀膜AR@1550nm，HR@775nm，用于过滤掉泵浦光，只保留经第一晶体13作用后产生的光。
第一光纤耦合头24用于将光子高效的耦合进入单模光纤25，第二光纤耦合头26将单模光纤25中的光子高效的耦合到自由空间中，用于后续实验操作。
由于在光纤传输过程中，光子的偏振状态会发生一定程度的改变，第二偏振分束器27的作用为对光子进行偏振净化，确保光子的偏振状态满足要求。
测量模块4
如图5所示，所述测量模块4包括符合计数器41、第一单光子探测器42、第二单光子探测器43。第一单光子探测器42和第二单光子探测器43用于探测光子信号，量子效率20％，延时小于5μs。其原理是，当有一个光子到达第一单光子探测器42或第二单光子探测器43的探测面时，第一单光子探测器42或第二单光子探测器43会输出一个电信号。其中，第一单光子探测器42安装在一个一维调整平台上，可在沿光路方向上进行位置调节，第二单光子探测器43安装在固定平台上。
符合计数器41，用于符合计数，第一单光子探测器42和第二单光子探测器43的输出信号被发送到符合计数器41，符合窗口为0.4ns。其原理是，当同时接收到第一单光子探测器42和第二单光子探测器43输出的信号时，其计数增加1，即可以记录同一时刻同时到达第一单光子探测器42和第二单光子探测器43的光子数。
实验功能说明
所述的一种基于双折射干涉仪3的量子光学实验装置在基于以上所述的各模块的基础上，可实现多种光子干涉实验现象的观测。以下对实验的实现方式进行详细的描述：
1.Hong-Ou-Mandel干涉现象观测
在双折射干涉仪3模块中，各端口按以下方式配置，即可进行Hong-Ou-Mandel干涉现象的观测。
端口Port 0：第一光子调制与传输模块201的输出端；
端口Port 1：第二光子调制与传输模块202的输出端；
端口Port 2：第一单光子探测器42；
端口Port 3：第二单光子探测器43；
端口Port 4：没有启用；
端口Port 5：没有启用。
第一单光子探测器42安装在一个一维调整平台上，实验中通过调整一维调整平台可观察到完美的Hong-Ou-Mandel干涉现象。在调整过程中，测量模块4中的符合计数器41记录的符合数拟合曲线如图6所示。
2.单光子现象观测
在双折射干涉仪3模块中，各端口按以下方式配置，通过控制第二晶体33所述的第一温度控制器，改变第二晶体33的温度值，即可进行单光子拍频随温度的变化现象的观测。
端口Port 0：第一光子调制与传输模块201的输出端；
端口Port 1：没有启用；
端口Port 2：没有启用；
端口Port 3：没有启用；
端口Port 4：第二单光子探测器43；
端口Port 5：第一单光子探测器42；
第二光子调制与传输模块202的输出端直接接入到端口Port 4。
注意，在实验过程中，还需配合调整第一单光子探测器42的一维调整平台，才可以实现理想的观测效果。
在这种单光子输入状态，端口Port 4的单光子计数率R4和端口Port 5的单光子计数率R5分别为：
其中，
(i＝y，z)代表沿着双折射晶体的y和z轴方向的光学相位改变，其中，L是第二晶体33长度，λ是光子的波长，T是第二晶体33的温度。δ是第二晶体33的旋转角度，
是第二晶体33和第三晶体35引起的固有相位偏差。
下面，进行两组实验观测：
实验一：
调整第二晶体33所在的旋转台，使其位置相对于水平极化方向旋转的角度δ＝0，π/6，π/4，π/3，π/2。在每个角度的情况下，调整第二晶体33的温度。在调整过程中，测量模块4中的符合计数器41记录的符合数拟合曲线如图7所示。
实验二：
研究了以下三种情况下测量模块4中的符合计数器41记录的符合数拟合曲线：(1)调整第二晶体33所在的旋转台，使其位置相对于水平极化方向旋转的角度δ＝0，再优化光路，使双折射干涉仪3模块中第一光路和第二光路光学长度相等，即两光路之间的光程差为0mm；(2)在(1)的基础上，通过旋转第二晶体33的角度δ＝90°，即光程差为0.66mm；(3)在(1)的基础上，将第二晶体33从光路中撤除，即光程差为5.87mm。分别观察在上述三种情况下，调整第二晶体33的温度，测量模块4中的符合计数器41记录的符合数拟合曲线，如图8所示。
3.双光子现象观测
在双折射干涉仪3模块中，各端口按以下方式配置，通过控制第二晶体33对应的第二温度控制器，改变第二晶体33的温度值，即可进行双光子拍频随温度的变化现象的观测。
端口Port 0：第一光子调制与传输模块201的输出端；
端口Port 1：第二光子调制与传输模块202的输出端；
端口Port 2：没有启用；
端口Port 3：没有启用；
端口Port 4：第二单光子探测器43；
端口Port 5：第一单光子探测器42。
注意，在实验过程中，还需配合调整第一单光子探测器42的一维调整平台，才可以实现理想的观测效果。
在这种双光子输入状态，端口Port 4和端口Port 5之间对应的计数率R4，5为
其中，
(i＝y，z)代表沿着双折射晶体的y和z轴方向的光学相位改变，其中，L是第二晶体33长度，λ是光子的波长，T是第二晶体33的温度。δ是第二晶体33的旋转角度，
是第二晶体33和第三晶体35引入引起的固有相位偏差。
下面，进行两组实验观测：
实验一：
调整第二晶体33所在的旋转台，使其位置相对于水平极化方向旋转的角度δ＝0,π/6,π/4,π/3,π/2。在每个角度的情况下，调整第二晶体33的温度。在调整过程中，测量模块4中的符合计数器41记录的符合数拟合曲线如图9所示。
实验二：
研究了以下三种情况下测量模块4中的符合计数器41记录的符合数拟合曲线：(1)调整第二晶体33所在的旋转台，使其位置相对于水平极化方向旋转的角度δ＝0，再优化光路，使双折射干涉仪3模块第一光路和第二光路的光学长度相等，即两光路之间的光程差为0mm；(2)在(1)的基础上，通过旋转第二晶体33的角度δ＝90°，即光程差为0.66mm；(3)在(1)的基础上，将第二晶体33从光路中撤除，即光程差为5.87mm。分别观察在上述三种情况下，调整第二晶体33的温度，测量模块4中的符合计数器41记录的符合数拟合曲线，如图10所示。
综合以上实验结果，通过对比可得到以下结论：
一、对比图7和图9，双光子拍频随温度的变化频率是单光子拍频随温度的变化频率的2倍，这表明在测量中使用高光子数纠缠态具有更高的测量分辨率。
二、对比图8和图10，单光子干涉能见度随着光程差的增大而减小，双光子干涉能见度不受光程差的影响，揭示了双光子干涉条纹与单光子干涉条纹的明显区别。双光子相干长度与泵浦激光束的相干长度相同，约为千米级别，双折射干涉仪3中微小的光程差对双光子干涉条纹没有影响。相比之下，由于单光子相干长度为2mm，因此干涉条纹对双折射干涉仪3中光程长度的差异非常敏感。
三、图7中δ为不同值时，代表光子相对于第二晶体33不同的偏振方向，从图中数据和理论结合可计算出：单光子情况下，各偏振角度入射晶体时，第二晶体33的热色散系数。
四、图9中δ为不同值时，代表光子相对于第二晶体33不同的偏振方向，从图中数据和理论结合可计算出：双光子情况下，各偏振角度入射晶体时，第二晶体33的热色散系数。
以上仅为本实用新型创造的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型创造，凡在本实用新型创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型创造的保护范围之内。
Claims (10)
1.双折射干涉仪，其特征在于，包括形成第一光路和第二光路的第三偏振分束器(31)、第二晶体(33)、第三晶体(35)、多个反射镜，所述反射镜用于折转光路，且保证第一光路和第二光路在相同的反射镜上有横向距离；所述第三偏振分束器(31)包括作为输入的端口Port 0和端口Port 1、与端口Port 0对应的作为输出的端口Port 5、与端口Port 1对应的作为输出的端口Port 4，还包括分束后的端口Port 2和端口Port 3；所述第一光路为所述端口Port 0的光束依次经过第三偏振分束器(31)、端口Port 2、第二晶体(33)、第三偏振分束器(31)的端口Port 4，所述第二光路为所述端口Port 1的光束依次经过第三偏振分束器(31)、端口Port 3、第三晶体(35)、第三偏振分束器(31)的端口Port 5，第一光路和第二光路中的光束经过所有的反射镜折转光路。
2.根据权利要求1所述的双折射干涉仪，其特征在于，反射镜包括第一反射镜(32)、第二反射镜(34)、第三反射镜(36)，所述第一反射镜(32)设置在第三偏振分束器(31)与第二晶体(33)的光路之间，所述第二反射镜(34)设置在第二晶体(33)与第三晶体(35)的光路之间，所述第三反射镜(36)设置在第三晶体(35)与第三偏振分束器(31)的光路之间。
3.根据权利要求1所述的双折射干涉仪，其特征在于，所述第二晶体(33)的下方设置有使其相对于水平极化方向旋转的旋转台，所述第二晶体(33)外还设置有控制其温度的第一温度控制器，所述第二晶体(33)的环境温度可调；所述第三晶体(35)固定在支撑台上，所述第三晶体(35)外还设置有使其在设定温度下的第二温度控制器。
4.根据权利要求1所述的双折射干涉仪，其特征在于，所述第二晶体(33)和第三晶体(35)均为磷酸钛钾晶体，且尺寸相同，端面表面镀膜AR@1550nm，且均沿X轴切割。
5.基于权利要求1-4任意一项所述的双折射干涉仪的量子光学实验装置，其特征在于，还包括光子对产生模块(1)、用于分别调制和传输水平偏振光和垂直偏振光的第一光子调制与传输模块(201)和第二光子调制与传输模块(202)，所述双折射干涉仪(3)端口Port 0和端口Port 1分别对应接收第一光子调制与传输模块(201)和第二光子调制与传输模块(202)信号，端口Port 4和端口Port 5分别与测量模块(4)的两输入端对应连接。
6.根据权利要求5所述的基于双折射干涉仪的量子光学实验装置，其特征在于，所述光子对产生模块(1)包括依光路设置的半导体激光器(11)、聚焦透镜(12)、第一晶体(13)、准直透镜(14)、第一偏振分束器(15)。
7.根据权利要求5所述的基于双折射干涉仪的量子光学实验装置，其特征在于，所述第一光子调制与传输模块(201)和第二光子调制与传输模块(202)均包括依光路设置的偏振调制组件、长通滤波器(23)、第二偏振分束器(27)。
8.根据权利要求7所述的基于双折射干涉仪的量子光学实验装置，其特征在于，所述长通滤波器(23)和第二偏振分束器(27)之间通过光纤耦合头连接有单模光纤(25)。
9.根据权利要求7所述的基于双折射干涉仪的量子光学实验装置，其特征在于，所述偏振调制组件包括半波片(21)和四分之一波片(22)。
10.根据权利要求6所述的基于双折射干涉仪的量子光学实验装置，其特征在于，所述第一晶体(13)为Ⅱ型周期性极化KTP晶体。
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| CN111415560A (zh) * | 2020-04-27 | 2020-07-14 | 青岛鲲腾量子应用技术有限公司 | 双折射干涉仪及基于双折射干涉仪的量子光学实验装置 |
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