[发明专利]一种平衡零拍探测器

说明书

本发明公开了一种小型化的低频段高增益平衡零拍光电探测器，属于光学实验设备技术领域。针对音频及亚音频段各种噪声耦合导致的噪声高增益低的探测问题，通过将两个光电二极管产生的光电流信号相减，然后经交流耦合电容分为低频直流信号和高频交流信号，直流信号经跨阻放大后后直接输出直流电压信号，交流信号经跨阻放大后又经过反相比例放大电路进行二级放大，最后经过交流输出电阻转换为交流电压信号。同时为了排除外界因素干扰，将探测器体积做小，使用硬铝外壳材料设计外壳，为探测器进行电磁屏蔽，外壳与底座一体化，进一步增强探测器的稳定性，从而实现对低频段平坦的散粒噪声的测量。

技术领域

本发明属于光学实验设备技术领域，具体涉及一种小型化的低频段高增益平衡零拍光电探测器。

背景技术

目前，以激光干涉引力波探测器为代表的精密测量技术是当前最前沿的研究领域之一。在退耦合所有的环境噪声和热噪声以后，测量装置的灵敏度最终受限于光场的量子噪声。未来第三代LIGO(LaserInterferometer Gravitational-WaveObservatory)的升级或建造计划均将突破量子噪声极限的压缩光应用作为提升探测灵敏度的重要措施。将非经典光源的测量频率拓展到亚音频段，可以推动基于非经典光源的量子精密测量技术继续向前发展。为了准确地探测到音频以及亚音频段的压缩光源噪声，首先需要测量所感兴趣频段的散粒噪声，但一些技术噪声的耦合可能会破坏傅里叶频率低于数十kHz的散粒噪声测量。其中，光电探测器的电子学噪声、增益成为限制光电探测器测量量子噪声的最关键因素。

平衡零拍探测方法具有能够放大信号光，并且直接表征信号光的正交起伏分量的特点，因而成为测量光场压缩态量子噪声起伏的最佳手段之一。当所测得的散粒噪声与平衡零拍探测器电子学噪声的差值小于压缩态光场的压缩度时，就无法准确测量压缩态光场的压缩度，因此探测器必须具备足够低的电子学噪声来有效地识别这一微弱信号。为了探测压缩态的噪声起伏，又要求平衡零拍探测器必须具备足够高的增益来放大微弱的量子噪声起伏信号。由于本地振荡光的存在，所以平衡零拍探测器还必须具有高饱和功率的特性。

现有的平衡零拍光电探测器有两种不同的电子学设计，一种是可变增益设计，在该设计中，测量的光电流通过单独电路板上的跨阻后立即放大，然后通过减法器计算这两个信号之间的差值，这种电路可以独立改变两个检测器之间的增益，从而补偿不均匀的光功率和光电二极管响应中的差异。而另一种是光电流自减方案设计，其中两个光电二极管的光电流在经过跨阻放大器前相减，这种设计没有可变的电子增益，平衡操作必须通过光学方式完成。通过对比以上两种技术方案，发现实现两个性能完全相同的光电探测器比较困难，而平衡零拍探测中两个光电二极管产生的光电流经同一个运算放大器芯片进行放大，产生的信号具有很好的一致性。此外，现有的商用平衡零拍探测器只能在较高的分析频段产生高的增益，在音频及亚音频段许多噪声耦合并未解决，且饱和功率为微瓦量级，不适用于平衡探测方案，故无法测量更低频段压缩光源的量子噪声。

因此，为了测量更低频段光场压缩态噪声起伏，推动该频段范围内量子精密测量技术的进一步提升，现亟需设计一款针对低频段的、高增益、高稳定性的小型化平衡零拍光电探测器。

发明内容

针对音频及亚音频段各种噪声耦合导致的噪声高、增益低的探测问题，本发明提供了一种高信噪比的小型平衡零拍探测器，用于准确测量低频段非经典光源的正交分量噪声。

为了解决上述问题，本发明采用了下列技术方案：

一种平衡零拍探测器，包括：光信号采集模块1、光电转换模块2和交直流采集模块3、直流输出电阻R7、交流输出电阻R6、交流输出电容C9；

所述光信号采集模块1包括第一光电二极管PD1、第二光电二极管PD2；所述光电转换模块2包括跨阻放大器N1、直流反馈电阻R1、直流反馈电容C7；所述交直流采集模块3包括低噪声精密放大器N2、交流耦合电阻R2、交流采样电阻R3、交流接地电阻R4、交流反馈电阻R5、交流耦合电容C8；