量子光，低溫晶體：PPKTP的優(yōu)勢(shì)

即使是最穩(wěn)定的激光器也并非絕對(duì)安靜。光以離散光子的形式傳播，會(huì)引入統(tǒng)計(jì)波動(dòng)，即散粒噪聲，從而導(dǎo)致光學(xué)測(cè)量精度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)量子極限。

然而，量子光學(xué)提供了一種解決方法。壓縮態(tài)重新分配了不確定性，將一個(gè)屬性（相位或振幅）的噪聲縮小到散粒噪聲本底以下，同時(shí)增加另一個(gè)屬性的噪聲。在相位-振幅圖上，圓形噪聲圓變成了一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的橢圓。這種經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的低噪聲光提高了 LIGO 引力波探測(cè)器 [1]、壓縮光磁強(qiáng)計(jì) [2] 以及許多其他量子傳感和通信應(yīng)用的靈敏度。

產(chǎn)生壓縮光的常用方法是使用簡(jiǎn)并光參量放大器 (DOPA)。在 DOPA 中，強(qiáng)泵浦激光束與非線性晶體相互作用，該晶體通常放置在光腔內(nèi)以增強(qiáng)相互作用，并驅(qū)動(dòng)光子對(duì)的產(chǎn)生。該過(guò)程的相位敏感特性使腔體能夠減小一個(gè)正交方向上的波動(dòng)，同時(shí)放大另一個(gè)正交方向上的波動(dòng)。這種相互作用的強(qiáng)度由其有效非線性系數(shù)表征；該系數(shù)越高，通常表示轉(zhuǎn)換過(guò)程越高效，在給定晶體長(zhǎng)度和泵浦功率的情況下，這可以轉(zhuǎn)化為更強(qiáng)的壓縮效應(yīng)。

晶體選擇：工作溫度和固有噪聲

用于構(gòu)建DOPA的兩種主要非線性材料是周期性極化磷酸鈦氧鉀 (PPKTP) 和周期性極化鈮酸鋰 (PPLN)。PPLN的非線性系數(shù)高于 PPKTP，這表明它天生就更適合產(chǎn)生強(qiáng)壓縮效應(yīng)。然而，實(shí)際操作要求帶來(lái)了關(guān)鍵的差異。

PPLN 在室溫附近暴露于高強(qiáng)度激光時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生光折變效應(yīng)。這種效應(yīng)涉及光誘導(dǎo)晶體內(nèi)電荷載流子的產(chǎn)生和遷移，從而產(chǎn)生內(nèi)部電場(chǎng)，導(dǎo)致晶體折射率扭曲，并降低透射激光束的質(zhì)量。為了減輕光折變效應(yīng)，基于 PPLN 的器件通常在高溫下工作，使得捕獲的電荷擁有足夠的能量再次移動(dòng)，從而平衡內(nèi)部電場(chǎng)并減輕光折變效應(yīng)。相比之下，基于 PPKTP 的 DOPA 可以在室溫附近高效工作，并且不會(huì)出現(xiàn)明顯的光折變問(wèn)題。

工作溫度的差異對(duì)最終的噪聲性能有顯著的影響。在高溫下，原子晶格振動(dòng)，導(dǎo)致微觀聲波在晶體中傳播。這些聲波隨機(jī)地調(diào)制折射率。這種現(xiàn)象被稱為導(dǎo)聲波布里淵散射 (GAWBS)，它引入了一個(gè)與晶體溫度直接相關(guān)的基本相位噪聲源 [3]。

Wan 等人通過(guò)直接實(shí)驗(yàn)對(duì)比，強(qiáng)調(diào)了這一關(guān)鍵的權(quán)衡 [4]。他們使用相同的 1550 nm DOPA 設(shè)置，發(fā)現(xiàn)室溫 PPKTP 的壓縮效應(yīng)為 6.8 dB（即低于標(biāo)準(zhǔn)量子極限的噪聲降低 6.8 dB），而 135°C 時(shí) PPLN 的壓縮效應(yīng)為 4.9 dB。盡管 PPKTP 的非線性系數(shù)較低，但其優(yōu)異的壓縮性能直接歸因于其在較低工作溫度下 GAWBS 引起的相位噪聲降低。

圖 1 - 實(shí)驗(yàn)比較顯示，135°C 時(shí) PPLN 由于 GAWBS 的壓縮限制在 4.9 dB，而 35°C 時(shí) PPKTP 的壓縮達(dá)到 6.8 dB [4]

對(duì)于最強(qiáng)的相位壓縮，消除 GAWBS 比非線性系數(shù)的絕對(duì)值更重要。事實(shí)上，使用 PPKTP 時(shí)，1550 nm 處的壓縮水平達(dá)到 12 dB，1064 nm 處的壓縮水平達(dá)到 15 dB [5, 6]，突顯了其卓越的低噪聲特性。

Raicol：量子光精密晶體

深度壓縮需要晶體具有精確控制的極化、超低吸收率和卓越的均勻性。Raicol的PPKTP 晶體正是按照這些嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，并提供定制周期和非周期極化設(shè)計(jì)選項(xiàng)。為了開(kāi)發(fā)您的下一個(gè)壓縮光源，我們誠(chéng)邀您探索我們的產(chǎn)品并咨詢我們的團(tuán)隊(duì)，以確定適合您特定應(yīng)用的最佳晶體配置。

參考

[1] Aasi, Junaid, Joan Abadie, BP Abbott, Richard Abbott, TD Abbott, MR Abernathy, Carl Adams 等人，“利用壓縮光態(tài)增強(qiáng) LIGO 引力波探測(cè)器靈敏度。”  《自然光子學(xué)》  7, no. 8 (2013): 613-619。

[2] Wolfgramm, Florian, Alessandro Cere, Federica A. Beduini, Ana Predojevi?, Marco Koschorreck 和 Morgan W. Mitchell. “壓縮光光磁測(cè)量技術(shù)。”  《物理評(píng)論快報(bào)》  105, 第5期 (2010): 053601。

[3] César、J?natas Eduardo da Silva、AS Coelho、Katiuscia Nadyne Cassemiro、Alessandro de Sousa Villar、M. Lassen、P. Nussenzveig 和 Marcelo Martinelli。 “非線性光學(xué)晶體熱波動(dòng)產(chǎn)生的額外相位噪聲。” 物理評(píng)論 A——原子、分子和光學(xué)物理 79，第 1 期6（2009）：063816。

[4] 萬(wàn)振舉、馮金霞、李元吉、張寬壽，“PPKTP 和 PPLN 簡(jiǎn)并光參量放大器產(chǎn)生的相位正交壓縮態(tài)比較。”  《光學(xué)快報(bào)》  2018 年第 26 卷第 5 期，第 5531-5540 頁(yè)。

[5] Mehmet, Moritz, Stefan Ast, Tobias Eberle, Sebastian Steinlechner, Henning Vahlbruch 和 Roman Schnabel。“1550 nm 壓縮光量子噪聲降低 12.3 dB。”  《光學(xué)快報(bào)》  19 卷，第 25 期（2011 年）：25763-25772。

[6] Vahlbruch, Henning, Moritz Mehmet, Karsten Danzmann 和 Roman Schnabel。“15 dB 壓縮光態(tài)的探測(cè)及其在光電量子效率絕對(duì)校準(zhǔn)中的應(yīng)用。”  《物理評(píng)論快報(bào)》  117，第 11 期 (2016)：110801。