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摘 要

光电探测器是量子光学研究中一项常用的重要探测工具，但是在实际测量中，光电探测器存在着较大的系统噪声，这就使得测量的值与实际的值存在着较大的误差。本论文详细阐述了光学系统中主要的几种噪声，包括散粒噪声，热噪声，噪声等，在分析光学系统噪声对实际测量结果影响及光电探测器制作原理的基础之上，研制了一种平衡零差探测器。本课题在对直接探测和外差探测的研究基础之上，对平衡零差探测进行了深一步的探讨研究。理论分析平衡零差系统的噪声模型并检测探测器的性能指标，发现该平衡零差探测器具有低噪声，高信噪比，高强度探测信号的特征。结果表明完善的平衡光学零差探测系统的建立满足了量子光学研究中对于低噪声，高精度探测系统的要求。

关键词：光电探测 平衡探测 光学零差探测 噪声模型

ABSTRACT

The photodetector is a commonly used important detection tool in quantum optics research. When we measure in reality, there is a big system of noise in the photodetector, the system of noise makes a large error between actual measured data and expected standard values. A detailed description of the main types of noise in the optical system, including shot noise, thermal noise, noise, etc. Based on the analysis of the optical system noise on the actual measurement results and the principle of photoelectric detector manufacturing, developed a balance Homology detector. Performance detection of balanced homodyne detection system and analysis of system noise model of balanced homodyne detection system revealed that the balanced homodyne detector has the characteristics of low noise, high signal-to-noise ratio, and high intensity detection signal. The results show that the establishment of a perfect balanced optical homodyne detection system meets the requirements of low-noise and high-precision detection systems in quantum optics research.

Key words: Photoelectric detection; Balance detection; Optical homodyne detection; Noise model

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1. 引言 1

1.2. 光电探测器 2

1.3. 直接探测，外差探测，零差探测 2

1.3.1. 直接探测 2

1.3.2. 外差探测 4

1.3.3. 零差探测 5

1.4. 本章小结 9

第二章 光电平衡探测器及光学平衡零差探测技术 10

2.1. 光电平衡探测器及其工作原理 10

2.2. 平衡零差探测技术 11

2.3. 光学平衡零差探测实验光路图 12

第三章 系统噪声模型 14

3.1. 噪声 14

3.2. 热噪声 15

3.3. 散粒噪声 16

3.4. 1/f噪声 17

3.5. 系统中的噪声分析 17

3.6. 噪声分析 18

第四章 光学平衡零差检测系统性能检测与实验结果 21

4.1. 光电探测器的性能检测 21

4.2. 平衡探测器的性能检测 23

第五章 总结与展望 27

参考文献 28

致谢 30

绪论

引言

自从第一台激光器被研制出来后，激光器的发展非常迅速[1-2]，激光器的发展促使人们在光学研究领域不断前进，这些年来光学的研究随着科学技术的进步不断的向着更深层次的领域发展。基于人们对量子光学不断的深入研究，以往的光学测量仪器及测量方式已经不能满足人们对高速率，高精度测量的需求。最初的光电探测器对于实际测量来说存在着很大的局限性，比如灵敏度低，测量精度差，探测到的有用信息仅限于功率等，为了满足人们对信息精准化传输的需求，前人们花了大量的工作对探测器进行研究，并且积极寻找一种能够有效探测量子噪声的检测方式[3],光电探测器被不断的改造和优化，平衡探测器就是在光电探测器的基础之上研制出来的一种高性能的探测器。

平衡探测器利用了两个性能完全一样的光电探测器，这里的光电探测器一般采用光电二极管，通过运算放大器对差模信号进行放大[8]，对共模信号进行抑制,这样可以降低电路中的噪声，输出幅度也可以一定程度上的被放大与没有改进过的探测器作比较可以发现平衡探测器对于测量微弱信号有着明显的优势。历史上各大研究小组在面对经典误差源的影响这一问题上，提出了许多行之有效的方法尽可能的消除了这种误差源在实际测量中带来的影响，然而量子噪声依然未能完全消除[4]。由于平衡探测器采用了两个探测器输出信号差分处理的方式，使得测量过程中部分信号的散粒噪声、热噪声、过剩强度噪声等都能被大幅度地抑制。

为了使测量所得数据更加精确，除了在测量仪器上的改进之外，人们也尝试了多种测量方式，比如直接探测，外差探测等。其中较为有效的是平衡零差探测，这是外差探测的一种特殊情况。之所以被称为是光学外差检测的一种特殊情况，是因为在光学外差探测中，它的信号光的频率与本振光的频率的差值等于零。基于平衡探测器使用光学零差检测方式，进一步解决了光学实际测量中噪声影响这一问题，也给量子光学的研究提供了一种更加有效的途径。

本文的主要工作如下：第一对本课题的研究背景、意义进行叙述，对光电探

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