人类文明的发展在一定程度上是改善测量精度的发展。从由脚、手和步数定义长度单位到用游标卡尺、显微镜和激光测距仪等方法来定义,测量的精度得到了很大的改善。精密测量不仅演示了物理理论,而且有助于提出新的理论和新的技术。相对位移的测量已经达到了亚波长级,被应用到了纳米科学、医学科学等等。然而,与量子力学测量方法相比,经典测量方法无法突破标准量子极限。随着量子力学的发展,非经典光场受到越来越多的关注,它包括压缩光和纠缠光,其能够突破标准量子极限,已经广泛应用于引力波探测、量子雷达、量子成像和量子信息处理等领域。目前,实验室产生压缩光的方法主要有以下三种:四波混频、非线性晶体参量下转换和光动力学相互作用。大量实验研究表明,非线性晶体参量下转换已经成为产生压缩光最有效的方法,并且被众多的实验小组所研究。压缩光的指标主要包括压缩度、压缩带宽、稳定性。高的压缩度能够提高量子精密测量的灵敏度和量子信息处理过程中的保真度。不同频段的压缩光应用的领域不同,低频段的压缩光主要应用于引力波探测中,从干涉仪的暗端口注入来提高测量的灵敏度;MHz频段的压缩光主要应用在量子雷达、量子信息处理等领域,在量子雷达中提高测量的动态范围,在量子信息处理中增加信道的容量。高的稳定性能够保证实现长时间的测量。因此,制备长时间稳定的宽带高压缩度压缩态光场显得尤为重要和迫切。高压缩度要求系统具有尽量低的损耗和位相抖动。通过合理设计光学参量振荡腔、选择高质量的光学镜片以及采用相位补偿等在光学上已经尽可能地实现了低的损耗和位相抖动,但是在电学上位相锁定引入的位相抖动和测量系统产生的电学损耗成为了压缩度进一步提高的主要限制因素。其中的关键是位相锁定反馈环路中第一级共振型光电探测器和测量系统中平衡零拍探测器的设计。本论文主要围绕共振型光电探测器和平衡零拍探测器展开研究。首先,通过优化锁定环路中共振型光电探测器的性能,在保证稳定锁定时实现了几乎无损耗提取误差信号;其次,设计了一款低噪声、高信噪比和高共模抑制比的平衡零拍探测器,用于低频段压缩态的测量,高信噪比使得测量引入的损耗可以忽略不计;最后,研制了一款噪声测量支路和位相锁定支路相互独立的平衡零拍探测器,该探测器能够同时将压缩光探测引入的损耗和位相锁定中位相抖动降低到最低,将该探测器应用到1550nm压缩光测量中,实现了长时间稳定的高压缩度压缩态光场输出。本论文的主要研究内容包括:1、研制了一款腔长和位相锁定环路中提取误差信号的高性能共振型光电探测器。通过研究压缩光制备过程中光学腔长和位相锁定探测信号的特点,在已有的共振型探测器基础上,优化了共振型探测器的Q值,将Q值从100提高到了320.83,最低可探测光功率达到了-70 d Bm,误差信号信噪比提高了15 d B。当测量光功率为10μW的15d B明亮压缩光时,可直接测量的压缩度提高了6.3%。该探测器能够大大改善锁定的精度和长期稳定性。2、研制了一款用于低频段明亮压缩态光场测量的高性能探测系统。通过分析低频段明亮压缩态光场的特性,在交流支路输入端安装电容,防止直流光电流进入交流支路中,避免交流支路饱和。在直流支路中加一个开关,当开关打开时,用于校准光束,验证光束是否完全被光电管所探测,同时保证两个光电管产生的光电流相等;当开关关闭时,将直流支路与交流支路分离,避免直流支路对交流支路引入的不利影响。通过该设计,交流支路的电子学噪声降低到-125d Bm,在1k Hz-100k Hz范围内,输入光功率为8m W时信噪比达到48d B,共模抑制比达到59d B以上。3、研究了现有平衡零拍探测器不能同时实现压缩光和本地光0位相锁定和压缩光测量的机制。这是因为现有平衡零拍探测器的带宽有限,无法解调高频的调制信息。虽然将其带宽增加到百MHz能实现位相锁定,但是由于运算放大器增益带宽积的限制,带宽增加将导致信噪比降低,在压缩光测量中会引入较大的损耗。因此,为了解决该矛盾,提出从光电二极管的偏置电阻上提取位相锁定的误差信号,通过原理分析和实验验证,该探测器能够同时实现两束光的位相锁定和压缩光的噪声探测。4、搭建了一套1550nm的压缩态光源,通过优化整个系统的锁定回路和探测系统,将损耗和位相抖动尽可能降到最低。利用研制的低频平衡零拍探测器,在5.2k Hz处测量到了8.76d B的真空压缩光。利用具有独立噪声探测和位相锁定的平衡零拍探测器,在10MHz处,实现了1h测量时间内10.3±0.2d B明亮压缩态光场的稳定输出。创新性的工作包括:A.通过理论分析和实验研究,优化了共振型探测器的Q值,将其从100提高到了320.83,最低可探测光功率达到了-70 d Bm,误差信号信噪比提高了15d B。当测量光功率为10μW的15d B明亮压缩光时,可直接测量的压缩度提高了6.3%。该探测器能够大大改善锁定的精度和长期稳定性。B.通过改进电路结构,研制了一款适用于低频段明亮压缩态光场测量的平衡零拍探测器,交流支路的电子学噪声降低到-125d Bm,在1k Hz-100k Hz范围内输入光功率为8m W时信噪比达到48d B,共模抑制比达到了59d B以上。受限于激光器低频段较高的噪声,目前无法制备低频段的明亮压缩态光场,将该探测器用于测量1550nm真空压缩态光场,在5.2k Hz处,测量到了8.76d B的真空压缩光。C.通过原理分析和实验验证,设计了一款噪声探测和位相锁定支路相互独立的平衡零拍探测器,将该探测器用于测量1550nm明亮压缩态光场,在10MHz处,实现了1h测量时间内10.3±0.2d B明亮压缩态光场的稳定输出。