楊文海，李 聰，李 渝，冷晗陽(yáng)，刁文婷，蔡春曉，段崇棣

(1. 中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000;2. 中國(guó)空間技術(shù)研究院錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京，100094)

0 引言

連續(xù)變量縮態(tài)光場(chǎng)作為一種非常重要的量子資源[1-3]，可以有效去除相干態(tài)光場(chǎng)的量子噪聲，提高光學(xué)信號(hào)的信噪比和成像分辨率，使光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)超越標(biāo)準(zhǔn)量子極限的探測(cè)靈敏度[4-5]。連續(xù)變量壓縮態(tài)光場(chǎng)可分為真空壓縮態(tài)光場(chǎng)和明亮壓縮態(tài)光場(chǎng)。真空壓縮態(tài)光場(chǎng)的平均振幅為零，光場(chǎng)功率等于零；明亮壓縮態(tài)光場(chǎng)的平均振幅不為零，光場(chǎng)功率大于零。以上兩類連續(xù)變量壓縮態(tài)光場(chǎng)是根據(jù)光場(chǎng)的平均光子數(shù)進(jìn)行的分類，由于其不同的物理特性，其應(yīng)用場(chǎng)景也不相同。如真空壓縮態(tài)可用于激光干涉儀中消除光場(chǎng)位相噪聲[6]，明亮壓縮態(tài)光場(chǎng)則可用于量子保密通信[7-9]。

基于二階非線性光學(xué)效應(yīng)的參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程是目前制備連續(xù)變量壓縮態(tài)光場(chǎng)最有效的方法。國(guó)際上以引力波探測(cè)項(xiàng)目為牽引，有關(guān)連續(xù)變量壓縮態(tài)光場(chǎng)的研究主要聚焦于真空壓縮態(tài)光場(chǎng)的制備[6,10]。國(guó)內(nèi)從事連續(xù)變量壓縮態(tài)光場(chǎng)研究的單位較少，其中以山西大學(xué)鄭耀輝課題組為代表，已經(jīng)制備得到12.6 dB的明亮壓縮態(tài)光場(chǎng)和13.8dB的真空壓縮態(tài)光場(chǎng)[11-12]。本文采用光學(xué)參量放大過(guò)程和腔增強(qiáng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種半整塊諧振腔結(jié)構(gòu)的光學(xué)參量放大器(optical parametric amplifier，OPA)，并基于新設(shè)計(jì)的OPA搭建了一套制備高功率明亮壓縮態(tài)光場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在增加注入光學(xué)參量放大器種子光功率的條件下，通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)優(yōu)化泵浦光功率，實(shí)現(xiàn)了高功率明亮壓縮態(tài)光場(chǎng)的穩(wěn)定輸出。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1為制備高功率連續(xù)變量明亮壓縮態(tài)光場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)光源部分，采用山西大學(xué)光電研究所自研的高功率1 064 nm單頻Nd:YVO4固體激光器作為基頻光源；然后采用基于摻氧化鎂鈮酸鋰晶體(MgO:LiNbO3)的半整塊倍頻腔，通過(guò)臨界相位匹配技術(shù)倍頻獲得二次諧波532 nm激光。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心部分是產(chǎn)生連續(xù)變量高功率壓縮態(tài)光場(chǎng)的OPA，由周期極化磷酸氧鈦鉀晶體(periodically poled KTiOPO4，PPKTP)和一片凹面腔鏡構(gòu)成的半整塊駐波腔。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的探測(cè)部分采用平衡零拍探測(cè)裝置測(cè)量明亮壓縮態(tài)光場(chǎng)的噪聲功率。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)系統(tǒng)基頻光路、二次諧波光路和平衡零拍探測(cè)本底光路中均插入作為模式清潔器的三鏡環(huán)形腔，用于優(yōu)化系統(tǒng)各部分光束質(zhì)量、提高光場(chǎng)與光學(xué)諧振腔模式匹配效率以及減少光場(chǎng)攜帶的相對(duì)強(qiáng)度噪聲和位相噪聲。此外，為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和控制精度，改進(jìn)了光學(xué)諧振腔和移相器的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及電光相位調(diào)制器和探測(cè)器的電子學(xué)性能[13-14]。

圖1 高功率明亮壓縮態(tài)光場(chǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system of high-power bright squeezed state

制備連續(xù)變量高功率明亮壓縮態(tài)光場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：高功率1 064 nm單頻Nd:YVO4固體激光器輸出的激光光場(chǎng)注入模式清潔器優(yōu)化空間模式后,經(jīng)90/10分束器分為兩束，一束作為平衡零拍探測(cè)系統(tǒng)的本底光，用于放大所要測(cè)量的壓縮態(tài)光場(chǎng)的正交分量的噪聲功率；另一束經(jīng)10/90分束器一分為二，一部分作為基頻光注入倍頻腔用于產(chǎn)生532 nm的二次諧波光場(chǎng)，另一部分作為種子光與泵浦光一同注入OPA用于產(chǎn)生明亮壓縮態(tài)光場(chǎng)。

為了通過(guò)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)獲得高功率的明亮壓縮態(tài)光場(chǎng)，需要將高功率的種子光注入OPA。高功率種子光注入OPA后，將給泵浦光場(chǎng)和種子光場(chǎng)相對(duì)位相的精確鎖定以及OPA腔長(zhǎng)的穩(wěn)定控制帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

OPA輸出壓縮態(tài)光場(chǎng)的壓縮度由下列公式?jīng)Q定：

(1)

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得知OPA的閾值為228 mW，線寬為69 MHz，根據(jù)文獻(xiàn)[15]的經(jīng)驗(yàn)值，我們選擇在分析頻率3 MHz處測(cè)量OPA輸出明亮壓縮態(tài)光場(chǎng)的噪聲功率。然后通過(guò)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在泵浦光功率為145 mW，種子光功率為500 mW時(shí)，在分析頻率3 MHz處可以測(cè)得光功率為200 μW，最大壓縮度為10 dB的明亮壓縮態(tài)光場(chǎng)穩(wěn)定輸出，如圖2所示。繼續(xù)增加種子光功率，OPA腔長(zhǎng)的鎖定、泵浦光和種子光相對(duì)位相的鎖定急劇惡化，導(dǎo)致輸出的明亮壓縮態(tài)光場(chǎng)的各項(xiàng)指標(biāo)不再穩(wěn)定。據(jù)此實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知泵浦因子的最佳取值為α=0.8，此時(shí)OPA輸出的明亮壓縮態(tài)光場(chǎng)的功率和壓縮度最高、最穩(wěn)定。根據(jù)上述公式，結(jié)合明亮壓縮態(tài)光場(chǎng)的壓縮度測(cè)量值，還可以計(jì)算出，該條件下明亮壓縮態(tài)光場(chǎng)從OPA傳輸?shù)狡胶饬闩奶綔y(cè)器的傳輸效率為91%。

圖2 高功率明亮壓縮態(tài)光場(chǎng)的噪聲功率Fig.2 Noise power of high-power bright squeezed light field

3 結(jié)論

高功率連續(xù)變量明亮壓縮態(tài)光場(chǎng)作為一種重要的非經(jīng)典光場(chǎng)，其實(shí)驗(yàn)制備技術(shù)已經(jīng)比較成熟，具備研制面向星地量子保密通信工程樣機(jī)的技術(shù)條件。本文通過(guò)理論分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化了高功率連續(xù)變量明亮壓縮態(tài)光場(chǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作參數(shù)，獲得了光功率為200 μW，壓縮度為10 dB的明亮壓縮態(tài)光場(chǎng)的穩(wěn)定輸出，該指標(biāo)已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，為研制連續(xù)變量量子光源奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。