模式清洁器的噪声转化与输出场噪声分析

摘要

外腔半导体激光器是现代物理学研究中最广泛应用的光源之一。在量子精密测量领域，外腔半导体激光器将被测物理量映射到激光的振幅、频率、相位等参数，因此研究半导体激光器的相位、振幅噪声具有特别重要的意义。利用谐振腔构建的激光模式清洁器改善激光光束的模式和空间指向性，优化光束质量。近年来，模式清洁器被广泛应用于引力波探测、精密测量、激光干涉仪以及量子雷达等研究领域。例如引力波探测应用中，利用谐振腔优化光束质量，输出纯净空间模式的激光；精密测量应用中，利用高精细度滤波腔将激光相位噪声降低到散粒噪声极限，输出毫瓦量级的激光；激光干涉仪应用中，利用超稳腔抑制透射光场中频率大于腔线宽的高频噪声，输出超稳窄线宽激光；量子雷达应用中，利用超稳腔抑制反射光场中腔线宽以内的低频噪声，制备频率依赖的压缩真空态。　　本文根据模式清洁器反射光场及透射光场的传输特性，推导反射光场和透射光场中振幅和相位两个正交分量的噪声转化函数，实验上搭建模式清洁器和自平衡零拍探测系统，理论与实验研究模式清洁器将852nm半导体激光器相位噪声转换为振幅噪声，理论与实验结果拟合得很好。利用实验中模式清洁器共振与近共振锁定情况下测量的反射光振幅噪声谱，对半导体激光器的相位噪声进行计算，为实际应用提供参考。本研究为更好的理解半导体激光器的噪声特性以及模式清洁器噪声转化提供理论依据和实验支撑。　　本文主要内容由四个章节组成，分别是：　　第一章引言部分，首先介绍半导体激光器的发展、应用以及半导体激光器噪声的产生机制；其次对半导体激光器相位噪声、频率噪声和振幅噪声的来源、特征进行简单介绍；最后讲解引力波探测的研究进展和模式清洁器在引力波探测的应用。　　第二章模式清洁器噪声转化理论部分，本章从量子光学的角度出发，主要介绍电磁场的量子噪声以及模式清洁器的噪声转化模型，详细推导模式清洁器透射率、反射率函数对正交振幅分量、正交相位分量的影响，并说明模式清洁器透射光场、反射光场的振幅、相位噪声转化情况，为后面的实验系统提供理论依据。最后推导自平衡零拍探测系统的原理。　　第三章实验装置部分，实验装置系统可以分为三部分：852nm半导体激光频率的锁定、模式清洁器和自平衡零拍探测装置。首先对852nm饱和吸收光谱和激光稳频的实验操作进行详细说明；然后介绍模式清洁器的参数、模式匹配、功能以及自平衡零拍探测装置的特性。　　第四章实验过程及结果分析部分，在这一章中，我们利用示波器观察到的腔透射信号，计算得到模式清洁器的线宽。然后搭建自平衡零拍探测系统测量透射光场和反射光场的振幅噪声，通过与第二章推导的理论结果相比较，证明实验结果与理论结果的一致性，为深入理解模式清洁器噪声转化过程提供理论依据和重要补充。最后根据腔共振状态和近共振状态的反射振幅噪声谱和初始振幅噪声谱，计算得到半导体激光器的相位噪声，证明通过模式清洁器的噪声转化机制实现对半导体激光器的相位噪声进行测量和评估。　　本文创新之处：　　1.理论分析模式清洁器的噪声转化机制，实验上测量模式清洁器反射光场和透射光场的振幅噪声，实验结果证明模式清洁器的噪声转化理论，为深入理解模式清洁器噪声转化过程提供理论依据和重要补充。　　2.利用模式清洁器反射光场共振状态和近共振状态的振幅噪声谱，对半导体激光器的相位噪声进行测量和评估，对促进量子精密测量的发展具有重要的意义。

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