压缩态作为一种非经典光在量子光学领域有着巨大的应用潜力,如在精密测量领域已经用于探测引力波的激光干涉仪中、在量子信息领域已经用于离物传态和量子密码学中、在量子成像领域双模压缩态已经可以实现信噪比超越经典极限的量子成像。基于上述应用需求,为了提高测量的灵敏度和信息存储的保真度,就需要制备出高压缩度的量子压缩态光场。目前,有很多实验制备压缩态的方法,比如:通过四波混频过程在原子气室中产生压缩光、通过非线性晶体参量下转换过程产生压缩态光场,此外还可以利用光动力学相互作用过程产生压缩态光场。在以上方法中,通过非线性晶体参量下转换过程产生压缩态的方法成为目前为止最有效的方法,并被广泛使用在各领域的科学研究中。制备高压缩度的压缩态光场的关键是研制出高性能高稳定度的激光器和光学参量振荡器,并实现腔长和光场位相的精确控制。实现上述关键技术的主要技术途径有以下几方面:首先是设计出高性能的光学参量振荡腔,半整块腔作为目前最有效的光学参量下转换腔型,具有损耗小,结构稳定,易于控制等优点,再结合相干光控制技术和PDH锁定技术,就可以实现光学参量振荡腔腔长以及光波相对位相的稳定锁定,为高压缩度压缩光源的研制提供关键技术支撑;其次是非线性晶体材料加工工艺的发展,使的PPKTP成为目前准相位匹配最好的材料并被广泛用于高压缩度压缩态光场制备中,我们通过挑选出非线性转化效率较高吸收损耗小的晶体进行强量子压缩光源的研制;此外,研制低噪声、光束质量好可以长期稳定工作的小型化1064 nm单频瓦级激光器、设计整体结构更稳定的光学谐振腔和响应频率更高的腔长控制环路以及稳定的系统光路,为高压缩度压缩光源的研究奠定了基础。本文的研究工作主要围绕上述各方面开展研究。通过采用半整块腔型,再辅助以相干光控制技术和PDH锁定技术锁定腔长和相对相位并加强光学部分机械稳定性,以及提高光束传输与变换、谐振腔本征模式与高斯光束匹配精度将系统的传输效率、稳定性和控制精度提高;最后优化和调试电路控制部分提高兼容特性和信噪比,以期研制出一套高压缩度、长期稳定性优良的压缩光源。本论文主要内容有:1.光源:研制了一款小型化、低噪声和高功率单频激光器,并重新设计了光学参量振荡器,采用半整块腔型结构,通过优化腔参数和腔镜曲率半径使得谐振腔的本征模式的腰斑位置落在晶体的中心位置,结合非线性晶体损伤和吸收特性选择合适的腰斑半径以提高非线性转换效率,以便于提高参与非线性转换的腔模体积,减小腔内损耗提高逃逸效率;辅以整体腔结构及聚砜、陶瓷保温材料,实现了绝热更好、精度更高的温度控制,为PPKTP进行高效率参量转换提供了条件。2.探测系统:优化了平衡零拍探测系统的光路,使得信号光和本底光在经过50/50分束器后传播相等的距离,经过相同的光学元件,使信号光和本底光在两臂光路的传播过程中产生尽量相等的损耗,保证了信号光和本底光在50/50分束器上分束功率更平衡,另外我们还将信号光和本底光注入光电二极管的入射角设计为20度(二极管感光面镀有20度入射减反膜),并用一组凹面镜搜集从光电二极管反射出来的剩余反射光重新注入光电二极管,并在此基础上重新新设计了平衡零拍探测器,使得电子学噪声更低、增益更高,在注入11 mW的本底光时,散粒噪声基准较电子学噪声抬高了28 dB以上,在音频段共模抑制比达到了67 dB以上。经过以上,光路和探测器的改进,提高了整个平衡零拍探测系统的探测效率。3.模式匹配和相位锁定:通过计算机程序模拟模式匹配和高斯光束整形的过程来算出透镜组参数,让模式匹配和光束变换变得简单高效,在实际操作时,先用光束质量分析仪对初始光束的腰斑大小和位置进行测量,再根据目标光束的参数进行模式匹配理论计算出所需的透镜组的焦距和位置,然后将透镜组放置到光路中相应的位置对初始光束进行整形,验证理论计算结果。再经过微调和实验验证,就可以实现高斯光束和谐振腔的模式匹配效率接近100%。此外,压缩系统光路中每一个谐振腔长和相对位相都采用PDH锁频技术,为了提高锁定系统的稳定性和带宽,我们设计了高增益共振型锁腔探测器和响应频率更高、机械结构更稳定的移相器及腔长反馈结构。为了进一步减小锁定后腔长和相对位相的波动,我们发现从OPA腔前和腔后提取的误差信号相关联产生相反的位相波动方向,基于这个特性,我们设计了一种补偿不同锁定环路之间由于剩余振幅调制引起的位相抖动的方案,实现了锁定后的泵浦光和种子光的相对位相抖动引起的压缩角旋转与本底光和信号光相对位相之间相位抖动的相互补偿,减小了系统各锁定环路之间总的位相波动。最终实现了12.6 dB的压缩态光场,稳定输出三小时以上,波动为正负0.2 dB。总之,为了提高整个压缩产生系统的可靠性和稳定性,我们分别从以下几个方面对压缩产生系统进行了改进:一,研制了一款专用于压缩光源的小型化、低噪声、高功率1064 nm激光器,其输出功率最高可达2.5 W,8小时功率波动为正负0.32%。为了提高激光器单频运转的稳定性,我们在激光器谐振腔内加入一块非线性晶体来引入非线性损耗,使得振荡模和非振荡模之间的损耗产生两倍的差异,从而实现了主振荡模在模式竞争中更具优势,提高了激光器单频稳定性。二,为了提高系统稳定性,光路中的镜架全部采用定制的一体镜架。此外我们还改进了移相器的机械结构减小了扫描位相时的机械抖动,从而减小光波位相的不确定性。三,优化光路设计,将系统的关键位置加装了模式清洁器,优化了模式空间分布,降低了激光相对强度噪声,减小了光束指向抖动。经过精心设计系统光路使结构更加紧凑,光程缩短,损耗降低。重新设计了平衡零拍探测器使其电子学噪声更低,增益更大,音频段共模抑制比更高。经以上一系列的改进和优化,最终在分析频率3 MHz处测得12.6 dB明亮振幅压缩,在分析频率15.2 kHz处测得9.9dB的真空音频压缩。以上工作中,属于创新的工作有以下几点:A:从理论上分析了影响压缩度提高的主要因素:光学损耗和位相抖动,提出了降低损耗和抖动的方法,并应用在实验中得到了验证。B:将高斯光束和谐振腔本征模式的模式匹配建立了数学模型,让模式匹配和光束变换中透镜组焦距和位置的确定变得简洁快速。C:设计了不同锁定环路之间相对位相抖动的补偿方案,减小了系统的总位相抖动。D:对比了外腔倍频中驻波腔和行波腔的优缺点,为实现高效的光学参量下转换奠定了理论和实验基础。E:设计了一体化的移相器、光学参量振荡器和模式清洁器,保证了系统机械稳定性,并改进了压电陶瓷的安装方法提高了锁定环路的响应频率。F:分析了压缩态测量中,本底光相对强度噪声、平衡零拍探测器共模抑制比和压缩度对测量误差的影响,并给出了实际情况中计算误差的方法。