利用鈮酸鋰晶體倍頻激光，制備實(shí)用化、集成量子壓縮光源

更新時(shí)間：2025-06-20

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　　二次諧波過(guò)程是指頻率為的單色光入射到非線性介質(zhì)后產(chǎn)生頻率為的光，通過(guò)此過(guò)程可以有效拓展連續(xù)單頻激光頻率范圍以及產(chǎn)生特定頻率的連續(xù)單頻激光，在量子信息科學(xué)、激光光譜學(xué)以及非線性光學(xué)方面有重要應(yīng)用。

　　如今，量子計(jì)算，量子通訊等量子信息科學(xué)正在向?qū)嵱没a(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，量子壓縮光源作為量子信息科學(xué)重要基礎(chǔ)資源，同樣需要向集成化和小型化方向邁進(jìn)。制備不同頻率波段的連續(xù)變量壓縮態(tài)光場(chǎng)，需要高性能的集成倍頻系統(tǒng)。

　　目前制備高性能連續(xù)變量量子壓縮光源時(shí)，常用以色列Raicol Crystals公司加工的PPKTP晶體來(lái)完成泵浦光場(chǎng)的制備，對(duì)應(yīng)倍頻轉(zhuǎn)化效率大概在70%左右。但是此晶體價(jià)格昂貴且生產(chǎn)周期長(zhǎng)，不利于推動(dòng)實(shí)用化低成本集成量子壓縮光源的研發(fā)。

　　創(chuàng)新內(nèi)容

　　為了解決目前倍頻系統(tǒng)的高成本實(shí)用化問題，山西大學(xué)光電研究所鄭耀輝教授課題組以鈮酸鋰晶體(MgO:LiNbO3)作為非線性介質(zhì)，利用臨界相位匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)相位匹配以進(jìn)行倍頻轉(zhuǎn)換;通過(guò)重新優(yōu)化模式匹配來(lái)補(bǔ)償熱透鏡效應(yīng)對(duì)倍頻轉(zhuǎn)化效率的影響。此倍頻腔集成度高，穩(wěn)定性好，為制備實(shí)用化集成量子壓縮光源提供了技術(shù)支撐，有利于推動(dòng)基于量子壓縮光源的量子信息科學(xué)的實(shí)用化進(jìn)程。

　　實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1所示：全固態(tài)激光器發(fā)射出的基頻光首先經(jīng)過(guò)第一光學(xué)隔離器(OI1)，光學(xué)隔離器能防止下游光路的光束反饋到激光器;再經(jīng)過(guò)第一模式清潔器(MC1)以優(yōu)化激光器輸出的光束質(zhì)量并降低激光的強(qiáng)度噪聲，之后經(jīng)過(guò)第二光學(xué)隔離器(OI2)及一組匹配透鏡注入倍頻腔中。

　　圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

　　考慮到熱透鏡效應(yīng)對(duì)腔內(nèi)腰斑的影響，課題組改變了透鏡組位置并重新進(jìn)行了模式匹配，并測(cè)量了倍頻轉(zhuǎn)換效率。倍頻腔輸出的綠光經(jīng)過(guò)另一組匹配透鏡組耦合到光學(xué)模式清潔器(MC2)上，用于改善綠光光斑空間模式并降低噪聲強(qiáng)度。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，黑色數(shù)據(jù)點(diǎn)為優(yōu)化模式匹配效率前的計(jì)算結(jié)果，紅色數(shù)據(jù)點(diǎn)是優(yōu)化后的數(shù)據(jù)：在基頻光功率為1.15 W時(shí)，可實(shí)現(xiàn)最大倍頻轉(zhuǎn)換效率為(49.3±0.45)%的倍頻過(guò)程，對(duì)應(yīng)532 nm激光輸出功率為567.0 mW。圖中曲線為對(duì)應(yīng)的理論擬合結(jié)果。

　　圖2 倍頻轉(zhuǎn)換效率隨注入功率的變化

　　此外，課題組測(cè)量了1小時(shí)內(nèi)第二模式清潔器輸出倍頻光的功率穩(wěn)定性，根據(jù)均方根誤差的公式計(jì)算得其功率波動(dòng)為1.05%(圖3)。由此可知，倍頻腔的尺寸為：8 cm×5 cm×9 cm。

　　圖3 功率穩(wěn)定性的測(cè)量

　　之后，利用第二模式清潔器對(duì)綠光的空間模式以及強(qiáng)度噪聲進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了輸出功率為470 mW、光束質(zhì)量因子為1.05且在分析頻率為1.65 MHz處達(dá)到散粒噪聲極限的低噪聲綠光激光輸出。

　　展望

　　在后續(xù)的工作中，課題組將利用此成本低、集成度高、穩(wěn)定性好的倍頻腔進(jìn)行實(shí)用化集成量子壓縮光源的探索，并進(jìn)一步開展基于壓縮態(tài)光場(chǎng)的實(shí)用化研究。

　　參考文獻(xiàn)：中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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