楊文海，李 聰，李 渝，冷晗陽，刁文婷，蔡春曉，段崇棣

(1. 中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000;2. 中國空間技術(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)光場的量子噪聲，提高光學(xué)信號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)量子極限的探測靈敏度[4-5]。連續(xù)變量壓縮態(tài)光場可分為真空壓縮態(tài)光場和明亮壓縮態(tài)光場。真空壓縮態(tài)光場的平均振幅為零，光場功率等于零；明亮壓縮態(tài)光場的平均振幅不為零，光場功率大于零。以上兩類連續(xù)變量壓縮態(tài)光場是根據(jù)光場的平均光子數(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位相噪聲[6]，明亮壓縮態(tài)光場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)換過程是目前制備連續(xù)變量壓縮態(tài)光場最有效的方法。國際上以引力波探測項(xiàng)目為牽引，有關(guān)連續(xù)變量壓縮態(tài)光場的研究主要聚焦于真空壓縮態(tài)光場的制備[6,10]。國內(nèi)從事連續(xù)變量壓縮態(tài)光場研究的單位較少，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)光場和13.8dB的真空壓縮態(tài)光場[11-12]。本文采用光學(xué)參量放大過程和腔增強(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)的探測部分采用平衡零拍探測裝置測量明亮壓縮態(tài)光場的噪聲功率。我們在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基頻光路、二次諧波光路和平衡零拍探測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、提高光場與光學(xué)諧振腔模式匹配效率以及減少光場攜帶的相對強(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)制器和探測器的電子學(xué)性能[13-14]。

圖1 高功率明亮壓縮態(tài)光場實(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)光場的實(shí)驗(yàn)過程如下：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系統(tǒng)的本底光，用于放大所要測量的壓縮態(tài)光場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，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。

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

2 實(shí)驗(yàn)過程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

OPA輸出壓縮態(tài)光場的壓縮度由下列公式?jīng)Q定：

(1)

本文通過實(shí)驗(yàn)測量得知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處測量OPA輸出明亮壓縮態(tài)光場的噪聲功率。然后通過進(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處可以測得光功率為200 μW，最大壓縮度為10 dB的明亮壓縮態(tài)光場穩(wěn)定輸出，如圖2所示。繼續(xù)增加種子光功率，OPA腔長的鎖定、泵浦光和種子光相對位相的鎖定急劇惡化，導(dǎo)致輸出的明亮壓縮態(tài)光場的各項(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)光場的壓縮度測量值，還可以計(jì)算出，該條件下明亮壓縮態(tài)光場從OPA傳輸?shù)狡胶饬闩奶綔y器的傳輸效率為91%。

圖2 高功率明亮壓縮態(tài)光場的噪聲功率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)光場作為一種重要的非經(jīng)典光場，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)光場的穩(wěn)定輸出，該指標(biāo)已達(dá)到國際領(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)。