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摘 要

这几年，伴随着量子光学技术的向前发展，人们对光学相位精确测量的要求也不断提高，这使得精密相位测量在理论和应用上都得到了广泛的关注。本论文的研究课题是基于声光效应的弱光锁相实验研究。在干涉测量技术的基础上搭建了量子光学零差探测模型，述明电光调制器在相位锁定中存在的问题，并对其进行了相关讨论和优化。提出利用声光效应的动态范围大，响应速度快等特点,来获得一个稳定的和低噪声的锁相环，以实现高精度的弱光锁相实验。预期通过该课题的研究，可获取对量子精密测量的初貌认识，了解该领域的前沿发展动态，为以后的学习工作奠定基础。

关键词：光学精密相位测量 激光锁相 光零差检测 声光效应

Experimental study on weak light phase-locking based on acousto-optic effect

Abstract

In recent years, with the development of quantum optics technology, the requirements for precise measurement of optical phase is also increasing, which makes precise phase measurement get wide attention in theory and application. The research topic of this paper is about the experimental study of phase-locking with weak light based on acousto-optic effect. On the basis of interferometric technology, a quantum optical homodyne detection model is built, and the problems existing in the phase locking of the electro-optic modulator are described, and related discussions and optimizations are carried out. It is proposed to use the acousto-optic effect's large dynamic range and fast response speed to obtain a stable and low-noise phase-locked loop to achieve high-precision weak-light phase-locked experiments. It is expected that through the study of this subject, you can gain an initial understanding of quantum precision measurement and understand the cutting-edge development in this field, and lay the foundation for future learning.

Keywords: Optical precision phase measurement; laser phase locking; optical homodyne detection; acousto-optic effect

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2直接检测、相干检测与零差检测 2

1.2.1 直接检测 2

1.2.2 相干检测与零差检测 2

1.3 光纤Mach-Zehnder干涉仪 4

1.4 小结 5

第二章 声光调制器与数字PID 6

2.1声光效应简介、分类与应用 6

2.1.1 声光效应简介 6

2.1.2 拉曼-耐斯(Raman-Nath)衍射 6

2.1.3 布拉格(Bragg)衍射 6

2.1.4 声光器件 8

2.1.5 电光调制器缺点 9

2.2数字PID 9

2.2.1 PID基本原理 9

2.2.2 数字PID 11

2.2.3仿真PID算法 12

2.3总结 15

第三章 实验仪器、光路图和实验数据 16

3.1基于零差探测的干涉系统 16

3.2声光调制器频率变化时参数的变化 17

3.3干涉对比度的测量 18

3.4干涉信号的变化 19

第四章 总结与展望 21

参考文献 22

致谢 24

绪论

1.1引言

我们知道，随着激光光学不断向量子化方向发展，单频窄线宽激光的运用已经十分广泛，然而由于激光器自身的发热效应及其效能受环境因素影响较大，这使得单频窄线宽激光的获取受到限制，不能满足一些高精度光学实验需求。为了提高光纤激光器的潜在输出功率，即获得更好的窄线宽激光，人们发现了光纤激光器的相干偏振光束结合[1-5]，它基于通过正交偏振态的相干叠加而组合的多个光束。通过对单个光束的有源相位和偏振控制，使得偏振光束合成能够产生新的偏振态[6]，从而可以实现任意功率比下任何数量的光束相干组合[7-8]，这样的输出激光相位噪声也会大大降低，基本上能够实现与单路激光相近的效果。

在主动光束合成的技术之中，对各路激光的相位进行高精度反馈控制，即光学精密相位测量，是我们研究的重点方向。其主要应用有引力波测量、原子钟、生物传感等。由于光纤干涉仪具有结构精巧、受外界干扰小、方便组装等优点,基于光纤干涉仪的突破标准量子极限的量子精密相位测量[9-11]也引起人们的广泛关注。本课题是基于光纤马赫-曾德尔干涉的实验，在实验中，我们利用声光效应[12]的动态范围大，响应速度快等特点，采用声光调制器和PID伺服电路制作了一个稳定且低噪声的锁相环，从而精确控制激光的相位，实现各路激光的相位锁定[13]和相干叠加。

为了使测量所得数据更加精确，除了在测量仪器上的进行改进之外，人们也尝试了多种测量方式，比如直接检测，外差检测等。其中较为有效的测量方式为零差检测[14]，这是一种特殊的外差检测。即把本振光与信号光的频率相等时的光电检测称为零差检测。实际测量证明，在基于相干检测的系统中，我们通常使用的是光电检测器的零差检测结构。而为了使得系统的性能更加优异，零差检测器必须具有分辨微弱信号光的能力。特别的，对于微弱光信号的检测，零差检测灵敏度很高、电噪声较低和光电增益适当。因此，光零差检测技术不仅能有效的解决光学实际测量中噪声的问题，还给量子光学的研究提供了一种更加有效的途径。例如在先前的工作中，实验人员在几个高精度的测量系统中开发出了具有量子限制精度的自适应零差检测[15]，以此来测量大相位范围的时间变化信号，并取得了比较好的效果。

本文的主要讨论方法如下：第一将描述本课题的研究背景和重要性。第二详细介绍零差检测技术和马赫-曾德尔干涉仪[16]；第三分析光零差检测的干涉模型中控制的部分：声光调制器(AOM)和比例积分微分(PID)[17-22]；第四对声光调制器和数字PID所制成的锁相环的性能进行检测及对实验所得结果进行分析；第五对课题研究的工作总结和展望。

1.2直接检测、相干检测与零差检测

我们知道，光电探测器检测光电信号的方法有两种：直接检测和相干检测。

1.2.1 直接检测

直接检测的主要原理是光电二极管接收入射光的强度、做出某种响应，并发出与入射光的强度成比例的电信号。因此，直接检测技术在实际测量中存在着较大的局限性，除了能响应入射光的强度之外，直接检测系统能调解出的只有光的相关信息，无论是非相干光还是相干光，它不能分析出光其他方面的性质。

1.2.2 相干检测与零差检测

相干检测的主要原理是，转换光电二极管或光纤分束器的光敏表面上干扰本振光的信号光。两个光束的干涉光场被光电检测器检测出来，并作出反应，产生出由光混和物转化的光电通量。因此，光电信号与入射光的强度、频率和相位都有关系。

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