一种四波混频过程中实现自动位相匹配的装置与方法

本发明涉及量子光学，特别是一种四波混频过程中实现自动位相匹配的装置与方法，通过自动寻找泵浦光与探针光之间的最佳位相匹配条件，从而稳定、有效地制备出高性能量子光。

背景技术：

1、非经典光场在量子信息领域与量子精密测量领域有重要的应用价值。持续、稳定的量子光制备关乎所应用的量子系统的性能。压缩态与纠缠态是量子光学领域中最常应用的两种量子态。热原子系综非简并四波混频实验过程可以制备出高性能的空间分离的压缩光和纠缠光，以方便后续量子光束的应用。在非简并四波混频过程中，泵浦光与探针光之间通常不共线，二者需要满足位相匹配条件以补偿介质色散效应，从而产生最优性能的量子光。在实验中，由于光路空间位置、光学元件不对准等因素，泵浦光与探针光难以保持稳定的位相条件。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中的缺陷或不足，提出一种四波混频过程中实现自动位相匹配的装置与方法，通过自动寻找泵浦光与探针光之间的最佳位相匹配条件，从而稳定、有效地制备出高性能量子光。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、一种四波混频过程中实现自动位相匹配的装置，其特征在于，包括带刻度光学元件放置板，所述带刻度光学元件放置板的中部设置有固定座，所述固定座上设置有加热烤箱，四波混频用原子气室位于所述加热烤箱内，所述四波混频用原子气室右侧的所述带刻度光学元件放置板上设置有偏振分光晶体，所述偏振分光晶体透射侧的所述带刻度光学元件放置板上设置有ii级位置相机，所述偏振分光晶体反射侧的所述带刻度光学元件放置板上设置有光束挡板，所述四波混频用原子气室左侧的所述带刻度光学元件放置板上依次设置有非偏振分光器件、探针光用半波片、探针光ii级程控反射镜架和探针光i级程控反射镜架，所述探针光i级程控反射镜架上设置有探针光源输入口，所述非偏振分光器件泵浦光输入侧的所述带刻度光学元件放置板上依次设置有泵浦光用半波片、泵浦光ii级程控反射镜架和泵浦光i级程控反射镜架，所述泵浦光i级程控反射镜架上设置有泵浦光源输入口，所述非偏振分光器件的主分光侧为泵浦光反射侧和探针光透射侧，所述非偏振分光器件的辅分光侧为泵浦光透射侧和探针光反射侧，所述辅分光侧的所述带刻度光学元件放置板上设置有i级位置相机，所述带刻度光学元件放置板左侧外部设置有电控反射镜架控制器，所述电控反射镜架控制器分别连接所述i级位置相机、所述ii级位置相机、所述泵浦光i级程控反射镜架、所述泵浦光ii级程控反射镜架、所述探针光ii级程控反射镜架和所述探针光i级程控反射镜架。

4、通过各个器件在所述带刻度光学元件放置板上的位置刻度与高度，确定各器件之间相距距离。

5、所述四波混频用原子气室中四波混频的位相匹配角表达式如下：

6、

7、其中θ是位相匹配角，λ为原子跃迁能级对应波长，d为光束通过原子介质的长度。

8、所述电控反射镜架控制器内部设置有增量型pid控制算法模块，通过迭代调节i级与ii级反射镜，实时调节泵浦光束与探针光束的位相匹配最佳条件，从而稳定、有效地制备出高性能量子光。

9、增量型pid控制算法的表达式如下：

10、

11、其中u(t)为期望的光束位置，kp为比例系数，ti为积分系数，td为微分系数，e(t)为误差值，t为时间。

12、所述电控反射镜架控制器执行如下基于增益敏感的位相细调：依次调节探针光i级程控反射镜架后，重复精细扫描探针光ii级程控反射镜架，寻找探针光束位于ii级光束位置探测相机上的最大光强处。探针光束在ii级光束位置探测相机上的最大光强imax∝g·i0，其中i0为探针光束初始光强，g为探针光束经过四波混频用原子气室后产生的增益；确定最大光强处坐标后，利用反射镜架控制器内部的增量型pid控制算法，实现四波混频过程中最佳位相匹配条件的自动调节。

13、一种四波混频过程中实现自动位相匹配的方法，其特征在于，采用上述四波混频过程中实现自动位相匹配的装置。

14、包括以下步骤：

15、步骤1，将i级光束位置探测相机和ii级光束位置探测相机的成像界面进行刻度划分，刻度分辨率为微米级别；

16、步骤2，泵浦光束准直：利用电控反射镜架控制器内部的增量型pid控制算法，重复调节泵浦光i级程控反射镜架、泵浦光ii级程控反射镜架，使泵浦光束分别位于i级光束位置探测相机和ii级光束位置探测相机探测位置中心；

17、步骤3，探针光束位置调节：利用电控反射镜架控制器内部的增量型pid控制算法，重复调节探针光i级程控反射镜架、探针光ii级程控反射镜架，使探针光束分别位于i级光束位置探测相机和ii级光束位置探测相机探测位置中心距离l1tanθ和l2tanθ处。其中l1为四波混频用气室中心与i级光束位置探测相机之间距离，该距离可由光学元件放置板上的刻度读取；l2为四波混频用气室中心与ii级光束位置探测相机之间距离，该距离由光学元件放置板上的刻度读取；为热原子系综四波混频的位相匹配角，λ为原子跃迁能级对应波长，d为光束通过原子介质的长度；

18、步骤4，基于增益敏感的位相细调：依次调节探针光i级程控反射镜架后，重复精细扫描探针光ii级程控反射镜架，寻找探针光束位于ii级光束位置探测相机上的最大光强处，确定最大光强处坐标后，利用电控反射镜架控制器内部的增量型pid控制算法，实现四波混频过程中最佳位相匹配条件的自动调节。

19、本发明的技术效果如下：本发明一种四波混频过程中实现自动位相匹配的装置与方法，利用反射镜架控制器内部的增量型pid控制算法(pid控制，proportional-integral-derivative control，比例积分微分控制)，通过迭代调节i级与ii级反射镜，实时调节泵浦光束与探针光束的位相匹配最佳条件，从而稳定、有效地制备处高性能量子光。

20、本发明具有以下特点：(1)本发明将四波混频过程所需要的所有光学器件均固定在带有位置刻度的光学元件放置板上，同时将i级和ii级光束位置探测相机的成像界面进行刻度划分，可以依据精细刻度尺进行精细调节。(2)本发明利用增量型pid控制算法，通过迭代控制调节i级与ii级反射镜，可实现不同实验条件下，四波混频过程最佳位相匹配条件的自动寻找和稳定匹配。同时，还可以随着外界扰动实时改变位相条件，从而稳定、有效地制备处高性能量子光。

技术特征：

1.一种四波混频过程中实现自动位相匹配的装置，其特征在于，包括带刻度光学元件放置板，所述带刻度光学元件放置板的中部设置有固定座，所述固定座上设置有加热烤箱，四波混频用原子气室位于所述加热烤箱内，所述四波混频用原子气室右侧的所述带刻度光学元件放置板上设置有偏振分光晶体，所述偏振分光晶体透射侧的所述带刻度光学元件放置板上设置有ii级位置相机，所述偏振分光晶体反射侧的所述带刻度光学元件放置板上设置有光束挡板，所述四波混频用原子气室左侧的所述带刻度光学元件放置板上依次设置有非偏振分光器件、探针光用半波片、探针光ii级程控反射镜架和探针光i级程控反射镜架，所述探针光i级程控反射镜架上设置有探针光源输入口，所述非偏振分光器件泵浦光输入侧的所述带刻度光学元件放置板上依次设置有泵浦光用半波片、泵浦光ii级程控反射镜架和泵浦光i级程控反射镜架，所述泵浦光i级程控反射镜架上设置有泵浦光源输入口，所述非偏振分光器件的主分光侧为泵浦光反射侧和探针光透射侧，所述非偏振分光器件的辅分光侧为泵浦光透射侧和探针光反射侧，所述辅分光侧的所述带刻度光学元件放置板上设置有i级位置相机，所述带刻度光学元件放置板左侧外部设置有电控反射镜架控制器，所述电控反射镜架控制器分别连接所述i级位置相机、所述ii级位置相机、所述泵浦光i级程控反射镜架、所述泵浦光ii级程控反射镜架、所述探针光ii级程控反射镜架和所述探针光i级程控反射镜架。

2.根据权利要求1所述的四波混频过程中实现自动位相匹配的装置，其特征在于，通过各个器件在所述带刻度光学元件放置板上的位置刻度与高度，确定各器件之间相距距离。

3.根据权利要求1所述的四波混频过程中实现自动位相匹配的装置，其特征在于，所述四波混频用原子气室中四波混频的位相匹配角表达式如下：

4.根据权利要求1所述的四波混频过程中实现自动位相匹配的装置，其特征在于，所述电控反射镜架控制器内部设置有增量型pid控制算法模块，通过迭代调节i级与ii级反射镜，实时调节泵浦光束与探针光束的位相匹配最佳条件，从而稳定、有效地制备出高性能量子光。

5.根据权利要求4所述的四波混频过程中实现自动位相匹配的装置，其特征在于，增量型pid控制算法的表达式如下：

6.根据权利要求4所述的四波混频过程中实现自动位相匹配的装置，其特征在于，所述电控反射镜架控制器执行如下基于增益敏感的位相细调：依次调节探针光i级程控反射镜架后，重复精细扫描探针光ii级程控反射镜架，寻找探针光束位于ii级光束位置探测相机上的最大光强处。探针光束在ii级光束位置探测相机上的最大光强imax∝g·i0，其中i0为探针光束初始光强，g为探针光束经过四波混频用原子气室后产生的增益；确定最大光强处坐标后，利用反射镜架控制器内部的增量型pid控制算法，实现四波混频过程中最佳位相匹配条件的自动调节。

7.一种四波混频过程中实现自动位相匹配的方法，其特征在于，采用上述权利要求1-6之一所述的四波混频过程中实现自动位相匹配的装置。

8.根据权利要求7所述的四波混频过程中实现自动位相匹配的方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
一种四波混频过程中实现自动位相匹配的装置与方法，通过自动寻找泵浦光与探针光之间的最佳位相匹配条件，从而稳定、有效地制备出高性能量子光，其特征在于，包括四波混频用气室及支撑座、I级光束位置探测相机、II级光束位置探测相机、泵浦光I级程控反射镜架、泵浦光II级程控反射镜架、探针光I级程控反射镜架、探针光II级程控反射镜架、反射镜架控制器、多个半波片、非偏振分光器件与偏振分光晶体。上述器件均放置在一个带有位置刻度的光学元件放置板上，固定各个器件的位置与高度，即可获得各器件之间相距距离。

技术研发人员：魏凯,衡星,翟跃阳,黄晓菲,龚定辉,全伟
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15