计量学是一门研究测量以及测量误差的综合性学科。随着量子力学的飞速发展以及量子资源的不断提高,计量学与量子力学在微观层面的结合逐渐形成量子精密测量这一广受关注的前沿领域。量子精密测量是以实现高分辨率和高灵敏度的物理量测量为研究目标,通过运用量子力学理论来描述物理系统,期望达到比经典测量更高的测量精度。对物理量进行精确测量是科学和技术进步的基础,而量子力学在这一挑战中起着核心作用。一方面,由于量子涨落带来的不可避免的统计不确定性给高精度测量带来基本限制,量子力学给出经典计量学无法突破的测量精度极限,即标准量子极限;另一方面,利用量子力学的一些非经典特性,如纠缠、相干和压缩等可以突破标准量子极限,实现量子增强型计量。相位估算作为精密测量的核心研究内容之一,可应用于长度、速度和位移等物理量的精确测量,其核心问题是在资源(光子/测量样本数)固定的情况下,如何提高相位估算的精确度和灵敏度。由于相位不是厄米算符,光场的相位不能直接测量得到。因此只能通过与相位有确定关系的可观测厄米算符的测量结果来间接推导得出,例如基于干涉装置的场或者强度等,这样的间接测量过程就被称为参量估算。而基于量子资源的相位估算机制则被称为量子相位估算,能够提供一种测量精度优于标准量子极限的相位估算方法。压缩态由于某一正交分量的方差低于相应的标准量子极限,是一种很灵敏的相位估算资源,其估算精度受压缩态光场的性质影响。本人博士期间的主要研究内容是基于压缩态光场的量子增强相位估算,从研制用于量子相位估算所需要的量子光源出发,对固体激光器输出光场的频率及噪声特性进行优化,制备了可长时间稳定工作的压缩态光场,并以此为探针态,实现了一种简易且稳定的量子增强相位估算实验方案。基于连续变量非经典光场的确定性优势,该方案在量子精密测量领域有非常广阔的应用前景。本文的主要研究内容如下:1.首先对产生非经典光场的固体激光器输出光场频率及噪声等特性进行优化。选择一个精细度为50000的超稳Fabry-Perot腔作为激光器的频率参考,在激光器外部利用声光调制器(AOM)作为快反馈执行器件提高锁定系统的响应带宽,实现了一种级联的Pound-Drever-Hall稳频技术,将激光器锁定在超稳腔上。最终激光器的频率漂移降至4小时内7.72MHz,强度噪声降至300kHz处达到标准量子极限。完成对光场的频率与噪声特性优化工作。2.利用实验产生的稳定压缩态光场实现了量子增强相位估算。将上述优化后的光场作为非简并光学参量放大器的种子光与泵浦光,利用带锲角的KTP晶体实现无走离效应的II类非临界相位匹配,制备得到可长时间稳定工作的压缩态光场。对实验制备的压缩态光场加载任意未知相移后与一束强的Local光在50/50分束器上耦合,并进行平衡零拍探测,从而获得压缩态光场在所加载相移角度下的正交分量起伏信息。最后利用贝叶斯推断对测量结果进行参量估计,给出关于相移的后验概率分布,实现了一种简易且稳定的量子增强相位估算实验方案。实验结果表明在同样光子数的情况下,利用压缩态光场进行相位估算,可以突破标准量子极限,且压缩纯态是能够达到量子Cramér-Rao边界的最佳资源。本文的创新点如下:1.通过在固体激光器外部增加反馈器件的方法,利用级联的Pound-Drever-Hall稳频技术将激光器锁定在一个高精细度F-P腔上,实现了对固体激光器输出光场频率与噪声特性的优化。2.利用制备的压缩态光场,结合平衡零拍探测与贝叶斯推断,实现了一种简易且稳定的量子增强相位估算实验研究,测量灵敏度突破标准量子极限,且利用压缩纯态可以达到量子Cramér-Rao边界。