[发明专利]非对称量子干涉仪及方法

说明书

本发明公开了一种非对称量子干涉仪及方法，使用半导体激光器或者钛宝石激光器等相干光作为初始入射光源，基于光和物质之间的高增益拉曼散射过程来实现非对称量子干涉仪。发明实验装置主要是一个作用介质，两个相干光源P和拉曼光场W，一批光学元器件和一个相移器，整个装置结构简单，系统稳定。本发明的非对称量子干涉仪是利用高增益拉曼散射过程作为分束器实现光与原子的分束和合束，干涉输出强度随两个干涉臂相位差呈非对称，类似锯齿波图样分布，在某些相位下的信号强度对相位变化非常敏感，与传统的全光干涉仪和对称型的非线性干涉仪相比，具有更高的相位灵敏度。这种干涉仪在精密测量和量子信息领域有很重要的应用前景。

技术领域

本发明涉及非线性光学，量子光学及精密测量领域，尤其涉及一种全新的非对称量子干涉仪及方法。

背景技术

目前，干涉仪在非线性光学，量子光学及精密测量领域扮演着重要角色，在很多基础领域有广泛的应用，例如在引力波测量，重力测量、测距、测磁场等，所以提高干涉仪的相位灵敏度成为精密测量的一个重要研究方向。以往的线性干涉仪，包括全光干涉仪、原子干涉仪以及光-原子混合干涉仪，都是利用线性分束器来实现分束，信号(光场或者原子束)被分束沿着两个不同的路径传输，经过一段传播距离被分束的信号(光场或者原子束)又在另一个分束器上进行合束发生干涉，分开路径传播的过程中会有个相位移动θ，人们能看到干涉信号随着相位移动θ而变化。线性干涉仪的相位灵敏度极限是(N是注入干涉仪的光场信号的光子数或者是注入干涉仪的原子数目。最近，非线性干涉仪，包括非线性全光干涉仪、非线性原子干涉仪以及非线性光-原子干涉仪，在理论和实验都被实现了。相对于线性干涉仪，非线性干涉仪是利用有源分束器来实现信号的合束和分束。原理上，非线性干涉仪相对于线性干涉仪有很多优点，它的相位灵敏度极限是1/N，比线性干涉仪的灵敏度有一定的提高，但是其实现需要极其复杂的实验系统，且目前报道的灵敏度相比于同等量级的线性干涉仪提高有限。与以往的所有干涉仪，其干涉强度随相位改变图样都是呈对称余弦。

发明内容

本发明的目的是提供一种非对称量子干涉仪，它利用高增益拉曼散射过程作为有源分束器来代作为干涉分束器，这个拉曼散射过程是高增益放大过程，拉曼转换效率能达到10％以上，不同于传统的干涉仪的余弦型干涉图样，该干涉仪的干涉条纹呈现非对称的特性，某些相位下的信号强度对相位变化极其敏感，其相位灵敏度能够突破标准量子极限30倍。同时这个非对称量子干涉仪两个干涉臂一个为光场，另一个为原子相干性，所以既可以测量光场相位敏感的距离，角速度等，也可以测量原子相位敏感的磁场、电场和光场等。本发明非对称量子干涉仪因结构简单，在距离、磁场等精密测量领域等有很广泛的应用。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种非对称量子干涉仪，它包括：

第一光源，其用于产生入射拉曼光场W；

第二光源，其用于产生光学泵浦光场P；

第一极化分束器，其沿所述第一光源光路设置，用于所述第一光源和出射探测信号光场的空间分束；

铷原子系综，其设置在所述第一极化分束器与第二极化分束器之间，用于实现所述光和原子的相互作用，产生偏振垂直于拉曼光场的信号光场以及原子相干性，信号光场与原子相干性之间有相位关联，原子相干性留在原子系综中，拉曼光场和信号光场传播出原子系综；

第二极化分束器，其沿所述第一光源光路设置，用于所述第一光源和产生的信号光场的空间分束；

光学反射镜，其用于反射所述第一光源，原路返回铷原子系综；

光学反射镜，其用于反射所述产生的信号光场，与反射回的第一光源空间重合，发生拉曼放大，产生放大后的探测信号光场；

相移器，其设置在所述第二极化分束器和光学反射镜之间，用于改变所述产生的信号光场的相位；