Способ стабилизации узкополосных источников неклассических состояний света, получаемых внутрирезонаторной генерацией спонтанного параметрического рассеяния света, и устройство для его осуществления Российский патент 2024 года по МПК H01S3/107 

Технические решения относятся к области квантовой и нелинейной оптики, квантовой электроники, а именно к способу стабилизации длин волн различных неклассических состояний света, например, однофотонных или двухфотонных перепутанных, на основе спонтанного параметрического рассеяния, а также к устройству для реализации указанного способа, и могут быть использованы в различных областях, в том числе спектроскопии, волоконной оптической связи, медицине и др., в устройствах для управления спектром лазерного излучения.

Управление параметрами излучения является одной из основных задач квантовой и нелинейной оптики. К числу таких параметров относятся поляризация, угловые и спектральные распределения, корреляционные и временные свойства и др. Актуальной задачей является управление спектром излучения источников, которые генерируют оптические квантовые носители информации. В частности, одной из важных задач является контроль и стабилизация длины волны источников узкополосных неклассических состояний света.

Внутрирезонаторный метод генерации спонтанного параметрического рассеяния света (СПР) является основным способом получения узкополосных неклассических состояний света. Основным методом стабилизации таких устройств является контроль эффективной длины резонатора, включающий в себя управление условием фазового синхронизма нелинейной среды, в которой происходит процесс генерации СПР, или контроль положения выходного зеркала оптического резонатора.

В изобретении [RU 2708538 C1, 03.06.2019] рассматривают способ стабилизации длины однофотонных состояний, генерируемых в процессе спонтанного параметрического рассеяния света (СПР) с помощью внешнего однородного электрического поля, прикладываемого к нелинейной среде, в которой происходит генерация СПР. Указанный способ реализуется устройством, состоящим из оптически связанных и последовательно расположенных нелинейно-оптического элемента, помещенного одновременно в термостатирующее устройство и в источник внешнего электрического поля; системы отсекающих интерференционных фильтров, для отсечения излучения накачки; устройства, разделяющего поток фотонов; дисперсионного элемента; счетчика фотонов. Дисперсионный элемент или счетчик фотонов имеют возможность изменения своего положения для подстройки расположения относительно друг друга таким образом, чтобы апертура счетчика фотонов улавливала излучение от дисперсионного элемента на заданной длине волны; устройство включает также блок управления, к которому подключены термостатирующее устройство, источник внешнего электрического поля и счетчик фотонов. Данный метод не рассматривает случай внутрирезонаторной генерации параметрического рассеяния света. В случае использования внешнего однородного электрического поля с внутрирезонаторной генерацией СПР, возникает два явления: 1) изменение эффективной длины резонатора, за счет изменения показателя преломления нелинейной среды (электрооптический эффект), что позволяет управлять межмодовым расстоянием оптического резонатора и, следовательно, стабилизировать его; 2) изменение условий фазового синхронизма, что может привести к существенному сдвигу спектра СПР (при возможном использовании больших полей) и уменьшение эффективности генерации на необходимой моде резонатора.

В изобретении [US 2008/0063015 А1, 13.03.2008] раскрыт способ стабилизации с использованием стабилизированного одночастотного лазера и температурного контроллера нелинейного кристалла, который фактически контролирует эффективную длину оптического резонатора типа Фабри-Перо. При изменении температуры нелинейной среды происходит изменение показателя преломления и изменение эффективной длины оптического резонатора типа Фабри-Перо. Основным недостатком такого метода является большая инертность изменения, так как установление нового температурного баланса окружающей среды и нелинейного кристалла требует времени, которое может превышать 1 с и более. Кроме того, температура нелинейной среды подвержена большому влиянию окружающей среды: изменение внешних условий, возникновение локальных вихревых потоков воздуха и т.п., что приводит к флуктуации температуры и, следовательно, уширению спектральной линии, которую необходимо стабилизировать.

В ряде работ используется именной метод PDH (Pound-Drever-Hall) [Dreyer, Hall, Kowalski, Hough, Ford, Miraley, Ward, Laser phase and frequency stabilization using an optical resonator, Appl. Phys. B: Laser Opt., 1983, Volume 31, Number 2, pp.97-105] для стабилизации эффективной длины резонатора [US 10331012 В2, 25.01.2019]. Метод основан на смешивании нескольких пучков реперного лазерного излучения: отраженного фазовомодулированного реперного лазерного от входного зеркала оптического резонатора и лазерного пучка, рассеянного через входное зеркало оптического резонатора. После смешивания этих двух лазерных пучков на фотодетекторе формируется сигнал ошибки, который зависит от отстройки частоты боковых/поднесущих частот, возникающих при фазовой модуляции исходного лазерного излучения. Измерение сигнала ошибки, формирует обратную связь с одним из зеркал оптического резонатора, которое находится на пьезо-механическом трансляторе. В результате, обратная связь позволяет активно изменять эффективную длину оптического резонатора, таким образом, чтобы при нулевой отстройке частоты лазерного излучения от моды резонатора сигнал ошибки всегда был равен 0. Основным минусом данного метода является факт, что эффективность данного метода напрямую зависит от стабилизации реперного лазерного излучения, то есть, если реперный лазер имеет длинный дрейф частоты во времени, то и стабилизируемый по частоте оптический резонатор будет обладать длинным частотным дрейфом.

Техническая задача изобретения - разработка способа стабилизации длин волн узкополосных неклассических состояний света, получаемых на основе внутрирезонаторной генерации спонтанного параметрического рассеяния, с помощью измерителя длин волн и мощности, расширяющего арсенал средств указанного назначения, и лишенных недостатков аналогов.

Техническим результатом предлагаемого способа является возможность стабилизации узкополосных неклассических состояний света с точностью до суб МГц диапазона, получаемых в процессе внутрирезонаторной генерации спонтанного параметрического рассеяния света, за счет измерения эффективности пропускания реперного лазерного излучения через моду оптического резонатора источника, в котором происходит генерация неклассических состояний света.

Указанная задача решается, и технический результат, обеспечиваемый изобретением, достигается предлагаемым способом стабилизации узкополосных источников неклассических состояний света, получаемых внутрирезонаторной генерацией спонтанного параметрического рассеяния света, включающим

генерацию реперного излучения на целевой длине волны,

сканирование пропускания оптического резонатора источника неклассических состояний света с помощью перестраиваемого одночастотного реперного лазера и измерителя длин волн,

изменение эффективной оптической длины резонатора источника, чтобы на целевой длине волны наблюдалась максимальное пропускание,

отстройку реперного лазерного излучения от целевой длины волны таким образом, чтобы пропускания оптического резонатора было Т = 0,75, и спектр лазера не пересекался со спектром неклассических состояний света,

стабилизацию перестраиваемого одночастотного реперного лазера по измерителю длин волн,

стабилизацию оптического резонатора источника с помощью стабилизированного перестраиваемого реперного одночастотного лазера и измерителя длин волн,

корректировку эффективной длины оптического резонатора с помощью пьезомеханического транслятора в случае изменения пропускания стабилизированного реперного одночастотного лазера через оптический резонатор источника.

Указанная задача также решается, и технический результат достигается заявляемым устройством для стабилизации узкополосных источников неклассических состояний света, получаемых внутрирезонаторной генерацией спонтанного параметрического рассеяния света, включающим оптически связанные между собой и последовательно расположенные на оптической оси:

перестраиваемый одночастотный реперный лазер, подключенный к блоку управления и к измерителю длин волн, также подключенному к блоку управления,

светоделитель, не менее одного, оптически связанный с измерителем длин волн,

оптический резонатор, представляющий собой систему входных и выходного зеркал, центры кривизны которых располагаются на одной оси с излучением одночастотного реперного лазера и внутри которой располагается нелинейно-оптический элемент, помещенный в термостатирующее устройство, при этом выходное зеркало подключено к пъезомеханическому линейному транслятору, соединенному с блоком управления,

светоделитель, не менее одного, оптически связанный с оптической системой, которая, в свою очередь имеет оптическое соединение с измерителем длин волн,

отсекающий фильтр, не менее одного.

Устройство для реализации заявляемого способа схематично представлено на фигуре 1. Предлагаемое устройство состоит из оптически связанных между собой и последовательно расположенных на оптической оси:

перестраиваемого одночастотного реперного лазера 1;

светоделителя 2;

входного и выходного зеркал 3 и 4, соответственно;

нелинейно-оптического элемента 5, который помещен в термостатирующее устройство (не пронумеровано на схеме);

светоделителя 6;

отсекающего фильтра 7;

кроме того,

светоделитель 2 оптически связан с измерителем 8 длин волн, а светоделитель 6 - с оптической системой 9, которая в свою очередь тоже имеет оптическое соединение с измерителем 8 длин волн,

выходное зеркало 4 подключено к пъезомеханическому линейному транслятору 10, тот, в свою очередь - к блоку управления 11, к которому подключены перестраиваемый одночастотный реперный лазер 1 и измеритель 8 длин волн, последние два также соединены между собой.

Перестраиваемый одночастотный реперный лазер 1 расположен таким образом, чтобы его излучение и центры кривизны зеркал оптического резонатора лежали на одной оптической оси. В качестве данного источника излучения могут быть использованы диодные перестраиваемые лазеры или иные узкополосные лазерные системы. При реализации изобретения использован перестраиваемый непрерывной диодный лазер Toptica DLC DL Pro, Германия.

Светоделитель 2 также располагается на оптической оси между перестраиваемым одночастотным реперным лазером 1 и оптическим резонатором источника, который формируется зеркалами 3 и 4. Светоделитель 2 делит излучение перестраиваемого одночастотного реперного 1 таким образом, что большая часть излучения лазера направляется в оптический резонатор источника, а меньшая часть - в измеритель 8 длин волн для определения длины волны излучения. В качестве светоделителя 2 использован светоделительный кубик 1:9 производства компании Thorlabs BS034 - 10:90 (R:T) Non-Polarizing Beamsplitter Cube. При реализации изобретения использованы светоделители 2 и 6 в единственном числе каждый.

С помощью измерителя 8 длин волн происходит измерение и стабилизация длин волн реперного лазера 1 и оптического резонатора. Измеритель 8 длин волн представляет устройство, которое обладает высокой разрешающей способностью (меньше 1 МГц) и способно различать близкие спектральные линии. Примером такого устройства может быть Wavemeter WS8-2.

Входное 3 и выходное 4 зеркала оптического резонатора должны обладать высоким коэффициентом отражения на целевой длине волны узкополосного источника неклассических состояний света. Система входных и выходных зеркал состоит из не менее одного входного и одного выходного зеркал - систему из двух зеркал, как указано на фигуре 1, где реализована система с одним входным зеркалом 3 и одним выходным зеркалом 4, можно заменить системой из большего количества входных зеркал и одного выходного зеркала, формирующих кольцевой оптической резонатор, в котором происходит генерация спонтанного параметрического рассеяния света. В качестве входного зеркала использовано плоско-сферическое зеркало с радиусом кривизны R = 0.13 м и коэффициентом отражения r = 99.9% на целевой длине волны. В качестве выходного зеркала использовано плоскосферическое зеркало с радиусом кривизны R = 0.13 м и коэффициентом отражения r = 96.5% на целевой длине волны.

В нелинейно-оптическом элементе 5 происходит генерация спонтанного параметрического рассеяния света для получения неклассических состояний. Кроме того, нелинейно-оптический элемент 5 помещен в термостатирующее устройство, чтобы добиться оптимальных условий генерации излучения СПР на целевой длине волны источника. Примером нелинейно оптической среды -нелинейно-оптического элемент 5 - могут быть одноосные и двуосные кристаллы, обладающие квадратичной нелинейностью, например, титанил фосфат калия KTP, ниобат лития LiNbO₃, бета-бората бария ВВО и т.п., например, LiNbO3:MgO 5% с периодом модуляции нелинейности 7.5 мкм. В качестве термостатирующего устройства может быть использован нагревательный элемент, который способен поддерживать температуру с точностью 0.01 градус Цельсия и лучше, например, печь Covesion PV20 с температурным контроллером Covesion ОС3.

Аналогично светоделителю 2, светоделитель 6 также служит для отделения части излучения перестраиваемого одночастотного реперного лазера 1 таким образом, что большая часть излучения лазера 1 направляется на выход из источника, а меньшая часть - в измеритель 8 длин волн через оптическую систему 9 для определения длины волны излучения. В качестве светоделителя 6 использован светоделительный кубик 1:9 производства компании Thorlabs BS034 - 10:90 (R:T) Non-Polarizing Beamsplitter Cube.

Отсекающий фильтр 7, который пропускает излучение на целевой длине волны узкополосного источника неклассических состояний света и отражает излучение перестраиваемого одночастотного реперного лазера 1, служит для разделения целевого излучения источника узкополосных неклассических состояний света от излучения перестраиваемого одночастотного реперного лазера, с помощью которого происходит стабилизация источника. В качестве отсекающего фильтра 7 можно использовать эталоны Фабри-Перо с шириной пропускания порядка 50 МГц. При реализации изобретения использован отсекающий фильтр 7 в единственном числе.

Пьезомеханический транслятор 10, который позволяет управлять эффективной длиной резонатора, служит для корректировки эффективной длины волны оптического резонатора за счет изменения положения выходного зеркала 4 и соединен с выходным зеркалом 4. Примером такого транслятора служить KPZNF15/M -NanoFlex™ 1.5 mm Travel Stage & KPZ101 Piezo Driver.

Оптическая система 9 служит для заведения излучения перестраиваемого одночастотного реперного лазера 1 в измеритель 8 длин волн и может состоять из системы зеркал и оптических волокон, которые необходимы для указанного заведения. Примером данной системы могут служить плоские зеркала с серебряным напылением, которые отражают целевой луч в систему заведения оптического излучения в одномодовое волокно Thorlabs КТМ-110 с асферической линзой А220ТМ.

Блок управления 11 представляет собой программируемый процессор или ЭВМ, в котором установлена плата управления с соответствующим программным обеспечением. В качестве блока управления использован персональный компьютер (ноутбук Lenovo S340), с предустановленным программным обеспечением от всех электронных компонентов, использованных в реализации устройства по стабилизации.

Стоит отметить, что в заявляемом устройстве мы не рассматриваем генерацию и управление спектром спонтанного параметрического рассеяния света. Поэтому нелинейно-оптический элемент 5 и термостатирующее устройство, в которое он помещен, должны управляться другим устройством. Заявляемое устройство работает следующим образом. В начале работы пользователь в блоке управления И устанавливает необходимую целевую длину волны (излучение на которой необходимо потребителю и будет реализовано на выходе заявляемого устройства). После этого блок управления 11 подает перестраиваемому одночастотному лазеру 1 команду на сканирование спектрального диапазона в центре которого находится целевая длина волны

Сканирование происходит следующим образом. Блок управления 11 выбирает, с каким шагом производить сканирование спектрального диапазона, в частотном диапазоне этот шаг не должен превышать 1 МГц. Далее блок управления 11 дает команду перестраиваемому одночастотному реперному лазеру 1 на изменение своей длины волны После установления необходимой длины волны блок управления 11 дает команду измерителю 8 длин волн на измерение сигнала, прошедшего через сформированный входным зеркалом 3 и выходным зеркалом 4 оптический резонатор, светоделитель 6 и оптическую систему 9. Результатом работы измерителя 8 длин волн является интенсивность и длина волны (частоты) пришедшего сигнала. Далее процедура повторяется снова. Сканирование происходит до тех пор, пока не будет полностью измерен спектральный интервал с шагом На основе этих данных блок управления 11 составляет зависимость пропускания оптического резонатора источника от длины волны (частоты) перестраиваемого одночастотного реперного лазера 1. Пример такой зависимости представлен на фигуре 2.

Если после этапа сканирования и составления зависимости пропускания оптического резонатора источника от длины волны перестраиваемого одночастотного реперного лазера 1, на целевой длине волны (целевая частота с - скорость света в вакууме) будет наблюдаться низкое пропускание, то блок управления 11 должен совершить процедуру коррекции эффективной длины оптического резонатора источника. Для этого блок управления 11 подает сигнал на перестраиваемый одночастотный реперный лазер 1, чтобы выставить целевую длину волны. После этого блок управления 11 подает команду на пьезомеханический транслятор 10 о необходимости сдвинуть положение выходного зеркала 4 на минимальное расстояние где - частота, на которую необходимо сдвинуть спектр пропускания однофотонного источника, L - длина оптического резонатора, которая заложена в блок управления 11. После этого блок управления 11, с помощью измерителя 8 длин волн, проверяет эффективность пропускания оптического резонатора источника. Если пропускания оптического резонатора на целевой длине волны является максимальным, то процедура считается завершенной. В противном случае, процедура настройки повторяется до тех пор, пока пропускание резонатора источника не будет максимальным на целевой длине волны

После оптимизации пропускания источника на целевой длине волны блок управления 11 подает сигнал на перестраиваемый одночастотный реперный лазер 1 сигнал о перестроении его длины волны на соседнюю моду оптического резонатора источника Причем длина волны перестраиваемого лазера 1 не должна пересекаться со спектром спонтанного параметрического рассеяния, с помощью которого генерируют неклассические состояния света на целевой длине волны чтобы не создавать дополнительных спектральных шумов на целевой длине волны. Пример данной конфигурации представлен на фигуре 3: перестраиваемый одночастотный реперный лазер 1 - пунктирная линия, огибающая линии - спектр спонтанного параметрического рассеяния света, без учета резонатора, узкие линии - спектр спонтанного параметрического рассеяния света в режиме внутрирезонаторной генерации. Кроме того, контроль эффективной оптической длины резонатора происходит при пропускании реперного лазера Т = 0.75, на котором наблюдается максимальная чувствительность пропускания относительно изменений эффективной длины резонатора. На данном коэффициенте пропускания Т наблюдается самый высокий градиент коэффициента пропускания относительно отстройки от центральной длины волны моды оптического резонатора (фигура 4), которая может возникать вследствие изменения эффективной длины резонатора. Значение интенсивности записывается в блок управления 11, для дальнейшего использования в процедуре стабилизации оптического резонатора источника. На фигуре 4: левый график: сплошная линия - пропускание моды оптического резонатора, пунктирная линия - градиент пропускания моды оптического резонатора. Правый график: сплошная линия - пропускание моды оптического резонатора, пунктирная линия - линия перестраиваемого одночастотного реперного лазера 1.

После выставления на перестраиваемом одночастотном реперном лазере 1 длины волны блок управления 11 запускает процедуру стабилизации перестраиваемого одночастотного реперного лазера 1 и оптического резонатора источника, сформированного входным 3 и выходным 4 зеркалами.

Процедура стабилизации пристраиваемого одночастотного реперного лазера 1 заключается в постоянном измерении длины волны и интенсивности с помощью измерителя 8 длин волн. Для этого измеритель длин волн 8 постоянно считывает интенсивность и длину волны излучения перестраиваемого одночастотного реперного лазера после светоделителя 2. При отклонении длины волны реперного лазера 1 от целевой, блок управления 11 подает команду реперному лазеру 1 на изменение длины волны Измеренная интенсивность I₀ записывается в блок управления 11 для последующего использования в процедуре стабилизации оптического резонатора источника. Процедура стабилизации перестраиваемого одночастотного реперного лазера 1 происходит до отмены данной команды пользователем в блоке управления 11.

Процедура стабилизации оптического резонатора источника заключается в наблюдении за параметром - интенсивность, прошедшая через оптический резонатор источника и измеренная с помощью измерителя 8 длин волн. При отклонении параметра от 0 блок управления 11 подает команду пьезомеханическому транслятору 10 на сдвиг выходного зеркала 4, чтобы изменить эффективную длину резонатора и тем самым сдвинуть центральную длину волны моды оптического резонатора источника к изначальной. - заранее рассчитанная блоком управления 11 производная из данных пропускания оптического резонатора источника, L - длина оптического резонатора, которая заложена в блок управления 11. Процедура проводится до тех пор, пока не станет 0.

Таким образом происходит одновременный контроль стабильности реперного лазерного излучения и эффективной оптической длины резонатора источника неклассических состояний света с помощью измерителя длин волн.

Таким образом, заявлена группа изобретений - способ стабилизации узкополосных источников неклассических состояний света, получаемых внутрирезонаторной генерацией спонтанного параметрического рассеяния света, и устройство для его осуществления, расширяющие арсенал средств указанного назначения. Эффективность заявляемого способа заключается в возможности производить высокоточную стабилизацию длины волны узкополосного источника неклассических состояний света с помощью измерителя длин волн, который, кроме того, позволяет напрямую контролировать длину волны генерируемых неклассических состояний света. Реализация заявляемого способа продемонстрирована на лабораторном макете заявляемого устройства.

Заявляемые способ и устройство позволяют производить стабилизацию длины волны источника неклассических состояний света с точностью менее 1 МГц за счет измерителя длин волн и контроля эффективной длины оптического резонатора источника по изменению относительного пропускания реперного лазерного источника через моду оптического резонатора. Данная методика позволяет одновременно проводить стабилизацию реперного перестраиваемого лазерного источника и источника узкополосных неклассических состояний света за счет непосредственного измерения длины волны перестраиваемого одночастотного лазера.

Группа изобретений, относится к области квантовой и нелинейной оптики, к способу стабилизации длин волн различных неклассических состояний света. Способ стабилизации узкополосных источников неклассических состояний света, получаемых внутрирезонаторной генерацией спонтанного параметрического рассеяния света и устройство для его реализации включает: генерацию реперного излучения на целевой длине волны, сканирование пропускания оптического резонатора источника неклассических состояний света, изменение эффективной оптической длины резонатора источника, отстройку реперного лазерного излучения от целевой длины волны, стабилизацию перестраиваемого одночастотного реперного лазера, стабилизацию оптического резонатора источника, корректировку эффективной длины оптического резонатора. Технический результат - стабилизация узкополосных неклассических состояний света с точностью до суб МГц диапазона. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ стабилизации узкополосных источников неклассических состояний света, получаемых внутрирезонаторной генерацией спонтанного параметрического рассеяния света, включающий генерацию реперного излучения на целевой длине волны, сканирование пропускания оптического резонатора источника неклассических состояний света с помощью перестраиваемого одночастотного реперного лазера и измерителя длин волн, изменение эффективной оптической длины резонатора источника, чтобы на целевой длине волны наблюдалась максимальное пропускание, отстройку реперного лазерного излучения от целевой длины волны таким образом, чтобы пропускания оптического резонатора было T = 0.75, и спектр лазера не пересекался со спектром неклассических состояний света, стабилизацию перестраиваемого одночастотного реперного лазера по измерителю длин волн, стабилизацию оптического резонатора источника с помощью стабилизированного перестраиваемого реперного одночастотного лазера и измерителя длин волн, корректировку эффективной длины оптического резонатора с помощью пьезомеханического транслятора в случае изменения пропускания стабилизированного реперного одночастотного лазера через оптический резонатор источника.

2. Устройство для стабилизации узкополосных источников неклассических состояний света, получаемых внутрирезонаторной генерацией спонтанного параметрического рассеяния света, включающее оптически связанные между собой и последовательно расположенные на оптической оси: перестраиваемый одночастотный реперный лазер, подключенный к блоку управления и к измерителю длин волн, также подключенному к блоку управления, светоделитель, не менее одного, оптически связанный с измерителем длин волн, оптический резонатор, представляющий собой систему входных и выходного зеркал, центры кривизны которых располагаются на одной оси с излучением одночастотного реперного лазера и внутри которой располагается нелинейно-оптический элемент, помещенный в термостатирующее устройство, при этом выходное зеркало подключены к пъезомеханическому линейному транслятору, соединенному с блоком управления, светоделитель, не менее одного, оптически связанный с оптической системой, которая, в свою очередь, имеет оптическое соединение с измерителем длин волн, отсекающий фильтр, не менее одного.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что система входных и выходного зеркал состоит из не менее одного входного и одного выходного зеркал.