光和原子混合干涉的优化与控制

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在过去的几十年中,基于光和原子系综相互作用过程的研究引起了人们的广泛关注,产生了很多基于光和原子相互作用的量子态精确调控技术,推动了量子精密测量的发展。本文基于原子系综中的受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering,SRS)过程,探究了原子系综中SRS的建立过程,验证了受激拉曼过程中存在的慢光效应。然后通过量子调控技术,对SRS过程中光场的时间模式进行优化调控,降低了光和原子相互作用过程中模式失配噪声,增强了光和原子的关联特性。在此基础上,进一步优化调控光和原子相互作用过程中的耦合强度,降低损耗对SU(1,1)型光—原子混合干涉仪信噪比的影响,继而实现了干涉仪性能的提升。具体内容如下:1.理论详细介绍了SRS的建立过程,分析了SRS过程中存在的慢光效应,并在实验上演示了这一延时效应,进一步验证了不同增益条件下的种子光场和输出Stokes光场峰—峰之间的延迟时间和各参数的关系。基于光子数和延迟时间的线性依赖关系,原理上可以通过延迟时间对入射弱光场强度进行测量。2.通过对SRS过程时间模式优化,提升了Stokes光场和原子自旋波之间的关联性。实验上提出了一种优化方法,即通过迭代优化种子光时间波形,找到SRS系统的一阶时间模式,降低SRS过程中时间多模式失配带来的噪声。该方法降低了Stokes光场本身噪声,增强了Stokes光场和原子自旋波的强度关联特性,继而为优化光—原子混合干涉仪分束过程,提高光—原子混合干涉仪信噪比打下基础。3.以低噪声SRS过程为分束合束过程,构建光—原子混合干涉仪,并对干涉仪的信噪比(Signal to noise ratio,SNR)进行优化。首先对信噪比和内部损耗的关系进行了详细分析,发现存在内部损耗的条件下,干涉仪信噪比也会随内部损耗而降低。通过调节干涉仪合束SRS耦合系数,满足优化条件,可以有效地降低内部损耗对干涉仪SNR的影响。进一步的研究发现,干涉仪对比度的优化条件与SNR优化条件完全一致。这样在实际应用中,对比度可以作为判断合束过程中相互作用耦合系数是否达到最优的判据,继而在损耗存在的条件下可以较为容易得到最佳的SNR。最后,实验演示了干涉仪对比度的优化,在光场臂损耗达96%的情况下,对比度从53%恢复到了88%。
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