新型非线性干涉仪将在量子光谱学、成像等领域发光发热

研究者首次在五晶体的级联中证明了基于晶体超晶格的非线性光学干涉仪。量子干涉引发的灵敏度增强使其成为传感、成像和光谱学的有前途的工具。

在几百万分子和原子中探测到低至几十个的低浓度粒子是一项令人着迷的研究目标。基于红外的光学传感器能检测到分子内部运动的微小变化,这些变化构成了传感和识别化学成分的图谱,但由于红外区域光学材料的限制,目前还没有广泛应用。基于非线性晶体、气室、光纤网络和非线性波导的非线性光学过程的干涉测量方法可以部分解决这些局限性。通常,这些方法依赖于检测干涉图样中的细微变化的能力,例如条纹的偏移或条纹可见度的变化。

Klyshko提出了一种基于晶体超晶格的解决方案。当晶体数目增加时,由线性间隙隔开的N个非线性元件可以提供更高的光谱分辨率。每个晶体都构成一个参量过程,其中一个高能量(泵浦光)光子可产生一个由低能量信号光子和一个具有量子关联的空闲光子组成。虽然该观点已用实验证明,但也提出了以下必须解决的挑战。首先,须在多个非线性元件中保持信号光子和空闲光子之间的量子相关性。此外,越来越多的非线性波混频过程需要更高程度的对准和稳定性,这很难实现。

图1 基于晶体超晶格的非线性干涉仪原理图。a 带有晶体超晶格的非线性干涉仪的示意图。N  = 2(左)和N  = 5(右)的相同非线性晶体被等间距分开,由具有动量kp的泵浦激光器相干泵浦,产生一对相关信号光子ks(绿色箭头)和闲散光子ki(红色箭头),然后将其重定向到下一个晶体。实验中,用探测器D测量信号光子的强度。b 具有两晶体(左)和五晶体(右)的非线性干涉仪的干涉条纹的横截面。

在最近发表的一篇论文中,Paterova和Krivitsky首次通过实验证实高效的非线性干涉仪,该干涉仪由一系列非线性晶体超晶格组成的单相干激光泵浦构成(图1a)。与两晶体相比,五晶体中的鲁棒性、稳定性以及高可见度频率-角谱得到良好控制(图1b)。

该气体传感实验显示出更高的灵敏度。与以往报道相比,这个新传感系统有了一些改进:首先,以前的工作通常涉及两个非线性元素,而新传感系统演示了最多五个非线性元素的情况,但并不限于此数量;其次,通过调整晶体尺寸和晶体间的间隙,这种新传感系统允许灵活地实现替代晶体构型,为开展量子态工程提出了新方法;第三,这种新型结构可以扩展到其他光学平台,如集成光子电路和光纤平台;最后,该新传感系统可应用于多光子区,这将有助于提高可伸缩器件的收集时间和可行性。

总的来说,非线性干涉仪在传感、计量、光谱学、成像和量子态工程的高性能器件领域有着诱人的发展前景。

该研究成果以“Nonlinear interferometers with correlated photons: toward spectroscopy and imaging with quantum light”为题,于2020年7月17日发表在Light: Science & Applications,论文链接为:https://www.nature.com/articles/s41377-020-00363-y

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