超越标准量子极限的低频段光学横向位移测量

High-precision optical transverse displacement measurement has many crucial applications such as laser distance measuring and laser radar, position stabilization between satellites, probe’s position measurement of atomic force microscope, optical imaging and biological cell’s movement measurement. Especially with the development of continuous variable quantum optical sources, displacement measurement beyond the shot noise limit has been realized, and the precision surpasses the standard quantum limit. However, most researches focus on the high-frequency band (above MHz), while relative report of displacement measurement at low-frequency band is few up to now, although it is very important in optical imaging, biological measurement, gravitational wave detection and other areas. We plan to generate low-frequency squeezed light with appropriate optical parametric oscillator, then realize a spatial squeezed light, and applied it into the displacement measurement. At last, we aim to realize displacement measurement 3 dB beyond standard quantum limit at a minimum frequency of 10 kHz.

高精度光学横向小位移测量在许多领域都有重要应用，例如激光测距和激光雷达、卫星间位置稳定、原子力显微镜探针光的位移测量、光学成像以及生物细胞的运动测量等。尤其随着连续变量量子光源（压缩和纠缠）的发展，实现了突破散粒噪声极限的位移测量，测量精度超越了标准量子极限。然而，大部分位移测量集中在高频段，即兆赫兹以上，由于受到弛豫噪声等的影响，基于低频段的位移测量目前还少有报道，而低频段的位移测量在光学成像、生物测量及引力波探测等领域起着重要作用。我们拟采用合适的光学参量振荡器产生低频段压缩光，实现低频段的空间压缩光，并应用于光束横向位移测量，最终实现最低频率达10kHz的超越标准量子极限3dB的低频段位移测量。

光学位移测量是物理精密测量的重要技术之一，无论在宏观尺度的星地通信还是微观尺度的原子力显微镜方面都有重要应用。测量精度是光学位移测量的重要指标，随着科学技术的发展，测量精度在兆赫兹以上的测量频段达到了散粒噪声限制的标准量子极限，采用空间压缩态探针，测量精度进一步超越了标准量子极限。然而在兆赫兹以下，即百赫兹到数十千赫兹频段，由于存在大量经典噪声，难以超越标准量子极限。在此背景下，本项目展开了兆赫兹以下低频段的超越标准量子极限的位移测量。 .研究了低频经典噪声的来源、特性及抑制，TEM10模式低频压缩态的产生与测量, 以及超越标准量子极限的位移信号测量。为降低激光源噪声，用固体激光器代替了光纤激光器，以PPKTP为非线性晶体，设计了紧凑型的半整块光学参量振荡器，基于平衡零拍探测，在3kHz到6MHz的频段实现了3dB的TEM10模式的真空压缩态测量。将TEM10模式真空压缩态填补到明亮TEM00模式的真空通道组成空间压缩态探针进行位移测量。与预期不同，在低于600kHz的频段出现了大量的噪声，研究发现， TEM00模式的明亮光束的振幅和相位噪声通过非完美模式匹配进入平衡零拍探测系统，探测系统无法同时减掉TEM10模式本地光和TEM00模式的明亮信号光的激光噪声，从而实验结果未能达到预期，即未能实现在10kHz超越3dB标准量子极限的位移测量。.项目研究过程中取得了一些技术进展和实验结果，（1）设计了一种楔角调制晶体，首次解决了光束的位移与倾斜调制不纯的问题，并设计了基于4F成像监视体统的平衡零拍测量，实现了位移与倾斜的精确测量；（2）实现了MHz以上基于高阶横模（TEM40模式）的超越标准量子极限的位移与倾斜测量，位移与倾角的测量信噪比超越基模相干态极限8dB。.在后续的项目研究中，将尝试采用双频本地光的差拍探测代替现在的零拍探测，以实现低频段超越量子极限的位移测量。