基于Floquet调制的声子激光频率梳产生装置及方法

本发明属于声子激光频率梳领域，具体涉及一种基于floquet调制的声子激光频率梳产生装置及方法。

背景技术：

1、频率梳是指一系列在光谱上呈现出梳齿排列的等间距频率谱线，在量子光学和精密测量领域具有广泛应用，包括测量原子和分子的能级跃迁，作为超高精度的时间和频率基准，以及精确测量光速等。声子频率梳是频率梳在声学领域的类似物，指一种相干声子态，表现为一系列等间距的频率峰。声子频率梳的研究和应用正在不断发展，为探索新的物理现象和开发新型量子技术提供了新的可能性。声子激光频率梳是指在声子频率梳的基础上，将每个频率梳齿推向相干态，达到声子激光，具有强的相干性和稳定性。随着实验技术的进步，声子激光频率梳在未来可能会在量子计算、精密测量和传感器技术中发挥重要作用。

2、频率梳的产生原理一般是基于非线性效应，利用光与物质的相互作用时产生的非线性效应，例如四波混频或六波混频，产生频率的非线性转换，从而在频域上形成多条频率线。非线性系统的动力学比线性系统更加复杂，容易受到参数波动和环境扰动的影响，这会导致稳定性降低，以及控制和优化的难度增加。同时，非线性转换过程伴随着损耗和噪声增加，限制了频率梳的性能。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种基于floquet调制的声子激光频率梳产生装置及方法，摆脱了产生声子频率梳的系统中所需的强非线性效应，进而使得频率梳的性能更佳，稳定性增加，控制和优化的难度降低。

2、本发明提供了一种基于floquet调制的声子激光频率梳产生装置及方法，包括：调制光路、捕获光路和三维位移台，所述调制光路安装于三维位移台上，用于使调制光路相对于捕获光路进行三维移动；

3、所述捕获光路包括激光器、分束器、光纤三、光纤四以及真空腔体，所述真空腔体内具有微粒，所述激光器发射的激光经过分束器分成功率相同的两束光，并分别沿着光纤三和光纤四传播，并从光纤三和光纤四的末端对向出射进入真空腔体，照射向微粒，实现对微粒的稳定捕获；

4、所述调制光路包括泵浦激光器、调制器、信号发生装置、波分复用器、增益介质、透镜一、透镜二、光纤一和光纤二，所述波分复用器、增益介质、透镜一、透镜二、光纤一和光纤二构成环形腔，所述泵浦激光器发出的激光通过调制器后进入波分复用器分为方向相反两束，并经过增益介质，在环形腔中传播，两束光分别通过透镜一和透镜二汇聚对准后形成内腔光阱，对微粒也具有捕获光力，所述信号发生装置生成floquet调制信号并传输至调制器以对光的功率进行周期调制。

5、可选地，所述floquet调制信号的频率为100hz-20khz。

6、可选地，所述调制器为声光调制器、电光调制器或磁光调制器。

7、可选地，所述增益介质为掺有稀土元素的光纤，稀土元素为镱、铒、铷或铥。

8、可选地，所述增益介质的长度为50cm–80cm。

9、可选地，所述微粒的数量为一个，直径为1μm-10μm，折射率大于1。

10、可选地，所述的基于floquet调制的声子激光频率梳产生装置，还包括位置探测器，并对着真空腔体用于探测微粒的位置信号。

11、可选地，所述泵浦激光器输出激光中心波长为976nm，输出功率为35mw。

12、一种声子激光频率梳产生方法，使用所述的基于floquet调制的声子激光频率梳产生装置，包括如下步骤：

13、打开捕获光路中的激光器，调整两束捕获光对准，实现对微粒的捕获，再抽气提高真空腔体中的真空度；

14、打开调制光路中的泵浦激光器，调整透镜一和透镜二的位置和俯仰角度，使得两边光束对准，实现在内腔光阱中的光功率最大；

15、通过三维位移台调整调制光路与捕获光路的相对位置，使得微粒落在调制光路中内腔光阱的指定位置，使得微粒上激发出声子激光；

16、通过信号发生装置给调制器施加需要梳齿间隔频率的周期信号，并采用floquet调制技术调制泵浦激光的功率，通过改变施加调制信号的频率调整梳齿间隔，改变施加调制信号的强度，进而改变调制深度，调整梳齿数目，实现需要的声子激光频率梳。

17、可选地，所述的声子激光频率梳产生方法，所述真空腔体中的真空度为200pa-3kpa。

18、本发明基于以下原理：

19、floquet调制依赖于对系统的时间周期性驱动。通常情况下，可以用哈密顿量来描述一个系统，利用floquet调制之后，系统的哈密顿量变得具有时间周期性，即，其中t是调制的周期。那么描述系统能量的薛定谔方程可以写为

20、。(1)

21、根据floquet理论，这个含时的薛定谔方程的波函数可以写作

22、，(2)

23、其中ε被称为准能量，floquet mode与 h( t)有相同的时间周期性，也就是说。然后将解(2)带入薛定谔方程，用这种表示法，时间相关的薛定谔方程被映射到一个特征值问题，可得准能量的本征值方程为

24、。(3)

25、将和准能量的本征函数以频率进行傅里叶展开：

26、(4)

27、(5)

28、为了将这个含时问题转化为一个不含时问题，需要在一个广延的希尔伯特空间里构建出一个无限维的floquet矩阵，用一个时间无关的有效哈密顿函数来代替描述系统。如果探针在驱动周期的倍数处，那么时间演化算子可以有给出。

29、从经典力学的角度去解释floquet调制，可以用基于有源悬浮腔光力系统中的声子激光的floquet调制为例。当系统中的悬浮微粒激发了声子激光，在时域上的运动可以简化为，即一个振幅为 a0，频率为ω0的简谐运动。通过一个频率为ωmod的信号周期性地调制系统中泵浦激光的功率，使得微球的运动相位也受到了相同的周期调制，则微粒的运动描述变化为

30、，(6)

31、其中， η是调制的深度。利用jacobi-anger展开式，可以用第一类贝塞尔函数 jn来描述调制后的微粒运动状态为

32、。(7)

33、可以注意到，不断增加调制深度 η，功率将被用于在 ωl± n ωmod(n>1)的频率下产生边带| α±n|2。当选取合适的调制深度和调制频率时，可以实现基于floquet调制的声子激光频率梳。

34、本发明的有益效果是，从原理上摆脱了产生声子频率梳的系统中所需的强非线性效应，进而使得频率梳的性能更佳，稳定性增加，控制和优化的难度降低。本发明将floquet调制结合到声子激光中，利用floquet原理，对系统施加周期性的调制，使得声子激光的频率峰两边产生多阶边带，通过调整调制信号的频率控制边带的间距，调整调制信号的强度（即调制深度）控制边带的高度，实现声子激光频率梳的生成和自由调控。得益于调制信号的频率和强度的完全可控，频率梳的梳齿间隔和数量灵活可控且调节范围大。除此以外，本发明产生的声子激光频率梳，相比于传统声子频率梳具有更高的相干性，有助于应用于精密测量和成像等领域。总结来讲，本发明具有结构简单、重复性好和实用性强等优点。此外，本发明不局限于光阱结构和光路结构，适用范围更广。