【摘要】：光學(xué)相位估計是物理學(xué)前沿的研究方向之一,對量子通信、引力波探測、量子密鑰分發(fā)等很多領(lǐng)域的發(fā)展都至關(guān)重要,在測量位置、旋轉(zhuǎn)、動態(tài)運(yùn)動、磁場和引力波等方面均取得了重大的突破進(jìn)展。光學(xué)相位估計的極限由量子力學(xué)所限制,該領(lǐng)域研究的一個重要方向就是發(fā)展能接近甚至超過標(biāo)準(zhǔn)量子極限的測量手段和實驗技術(shù)。近年來,為提高測量精度,各種相位估計算法應(yīng)運(yùn)而生,自適應(yīng)相位估計系統(tǒng)迅速發(fā)展。在提高精度的同時,研究者們也致力將這些精密測量系統(tǒng)小型化,集成化,將其往應(yīng)用方向發(fā)展。由于光纖具有體積小,對電磁干擾免疫,耐惡劣環(huán)境,以及可直接耦合進(jìn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)等優(yōu)勢,光纖型傳感器在高靈敏應(yīng)變傳感器,光纖陀螺儀等光學(xué)精密測量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。光纖系統(tǒng)可作為精密相位測量實驗的載體,適合作自適應(yīng)相位估計系統(tǒng)向?qū)嵱没l(fā)展的橋梁。本文主要研究了光纖型自適應(yīng)平衡零差探測系統(tǒng),驗證了該系統(tǒng)對隨機(jī)相位信號的量子極限測量;另外,還搭建了干涉儀型自適應(yīng)相位追蹤系統(tǒng),實現(xiàn)了對隨機(jī)信號的實時追蹤。具體內(nèi)容如下:1.搭建了光纖自適應(yīng)零差探測系統(tǒng)來追蹤Ornstein-Uhlenbeck隨機(jī)信號。我們使用電光振幅調(diào)制器產(chǎn)生一對1.5 MHz的邊帶作為輸入態(tài),加載隨機(jī)信號后與本地光在50/50光纖分束器處干涉,隨后用一對平衡探測器探測其輸出信號。為了實現(xiàn)對Ornstein-Uhlenbeck隨機(jī)信號(帶寬1kHz)的最優(yōu)估計,我們設(shè)計了兩個相位鎖定環(huán)路來保證信號光和本地光的相對相位工作在最優(yōu)測量點:一個反饋環(huán)路工作頻率設(shè)計為100Hz以下,用于抑制環(huán)境擾動,另一個工作環(huán)路利用卡曼濾波器理論設(shè)計,實現(xiàn)實時最優(yōu)估計。實驗結(jié)果表明,在光子數(shù)為106,隨機(jī)相位信號為±2.4弧度時,測得的追蹤均方差優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)外差理論的理論值,與自適應(yīng)濾波理論吻合良好,證明探測精度達(dá)到了量子極限精度。2.搭建了光纖型馬赫-曾德爾干涉儀相位追蹤系統(tǒng)。干涉儀的主體由兩個50/50光纖分束器,兩個壓電陶瓷型相位調(diào)制器和兩個電光相位調(diào)制器組成,干涉儀輸入端口一端入射振幅調(diào)制光束,一端入射真空態(tài)。給干涉儀一臂加載隨機(jī)信號,與另一臂信號干涉后由一對平衡探測器接收,探測器直流輸出信號用來鎖定低頻環(huán)路,抑制環(huán)境擾動。交流信號解調(diào)放大后進(jìn)入濾波估計環(huán)路,由PID作為反饋估計器將估計信號加載在干涉儀的另一臂從而提高測量精度。實驗中用該系統(tǒng)較為精準(zhǔn)的追蹤了隨機(jī)相位信號,在高精度光纖傳感等方面有廣闊的應(yīng)用前景。
【圖文】：

靜態(tài)相位估計是指估計的相位信號是隨時間不變的信號，也叫做單發(fā)相位測逡逑量。２００２年，，Ａｒｍｅｎ等人第一次在實驗上進(jìn)行了自適應(yīng)單發(fā)相位測量［１４］，其逡逑實驗裝置及測量結(jié)果如圖１．１。他們用弱相干態(tài)作為探測態(tài)來測量單發(fā)相位，分逡逑別用外差探測法和自適應(yīng)平衡零差探測法進(jìn)行了實驗。圖１．１邋（Ａ）是實驗裝置逡逑圖，根據(jù)加載單發(fā)信號后實時探測的平衡光電流的值來計算實時的反饋相位逡逑２逡逑

中⑴一吾］＾也／0；）／７１；，該反饋過程由ＦＰＧＡ來實現(xiàn)，將該反饋相位加載在電光逡逑調(diào)制器ＥＯＭ上從而使信號光和本地光的相對相位調(diào)節(jié)到光子數(shù)為８時，三次逡逑連續(xù)單發(fā)探測時的平衡光電流及反饋相位的時域圖如圖１．邋１邋（Ｂ）。圖１．邋１（Ｃ）為實逡逑驗精度圖，證明了自適應(yīng)零差測量系統(tǒng)相對于標(biāo)準(zhǔn)外差測量系統(tǒng)的優(yōu)越性，同時逡逑繪制了理想外差測量方差的理論預(yù)測。外差數(shù)據(jù)與理論的良好一致性表明，相千逡逑信號狀態(tài)下沒有多余的相位噪聲。在每脈沖１０－３００個光子的范圍內(nèi)，大部分的逡逑自適應(yīng)數(shù)據(jù)都低于外差測量的絕對理論極限（虛線），而且所有的自適應(yīng)數(shù)據(jù)都低逡逑于修正過電子噪聲的曲線。在光子小于８時，本征相位的不確定度變大，自適應(yīng)逡逑零差探測的理論值和外差的理論值差距變小，自適應(yīng)零差探測的優(yōu)越性變小。光逡逑子數(shù)超過３００時，反饋環(huán)路的技術(shù)噪聲變大，自適應(yīng)零差探測的精度逐步高于外逡逑差探測的精度。逡逑ａ邋邐邋邐逡逑－２邋－邋Ｎｔ０
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O413;TN253;TP212

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本文編號：2649650