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Acta Optica Sinica

1064 nm高功率明亮压缩态光场制备实验中绿光诱导红外吸收效应

郭锐 Guo Rui, 杨文海 Yang Wenhai, 郭咏 Guo Yong, 姚慧 Yao Hui

Published Jan 1, 2023• 4 citations
Publisher

Abstract

通过实验和理论研究连续变量高功率明亮压缩态光场制备实验中高功率种子光注入光学参量放大器引起的绿光诱导红外吸收效应。首先，通过优化实验系统工作参数，提升反馈控制回路的锁定稳定性，当种子光功率为500 mW、泵浦光功率为145 mW时，在分析频率为3 MHz处，获得光功率为200 μW、压缩度为（-10.7±0.2）dB的明亮压缩态光场。然后，根据实验数据，定量分析高功率明亮压缩态光场与压缩真空态光场产生过程中周期极化磷酸氧钛钾晶体的吸收损耗，发现高功率明亮压缩态光场实验系统的总光学损耗为（9±0.05）%，其中由周期极化磷酸氧钛钾晶体吸收导致的内腔损耗为（5.8±0.05）%，占总光学损耗的（64.4±0.05）%。该条件下周期极化磷酸氧钛钾晶体对高功率明亮压缩态光场的吸收系数为（6.0±0.05）×10-2 cm-1。当泵浦光单独注入光学参量放大器时，周期极化磷酸氧钛钾晶体对压缩真空态光场的吸收系数约为2.1×10-4 cm-1。由此可知，当高功率种子光注入光学参量放大器时，绿光诱导红外吸收效应使周期极化磷酸氧钛钾晶体的吸收系数增加了285倍，使内腔损耗成为高功率明亮压缩态光场压缩度的主要影响因素。

DOI
10.3788/aos222031

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1064 nm高功率明亮压缩态光场实验制备中的热透镜效应

郭锐 Guo Rui, 杨文海 Yang Wenhai, 郭咏 Guo Yong +2 more

本文通过理论和实验分析了1064 nm高功率明亮压缩态光场实验制备过程中，高功率种子光和泵浦光注入光学参量放大器引起的热透镜效应和模式失配。首先根据热透镜理论模型，定量分析了高功率种子光和泵浦光注入光学参量放大器时，周期极化磷酸氧钛钾晶体内部热透镜的等效焦距。然后根据高斯光束与光学谐振腔的模式匹配理论模型，理论分析了高功率种子光和泵浦光与光学参量放大器的模式失配量。最后在高功率明亮压缩态光场正常输出的工作状态下，重新优化种子光和泵浦光与光学参量放大器的模式匹配效率，在种子光功率为500 mW、泵浦光功率为145 mW的条件下，在分析频率3 MHz处，直接测得光功率为200 μW、压缩度为-10.8 dB±0.2 dB的明亮压缩态光场。上述实验结果与有关文献测得的压缩度仅相差0.1 dB，表明在本文实验系统中，高功率种子光和泵浦光引起的热透镜效应对光学参量放大器输出明亮压缩态光场的压缩度基本没有影响。

Acta Optica Sinica•Jan 1, 2023•1 citation

里德伯原子系统解调微波调幅信号的线性工作点研究

金袁凯 Jin Yuankai, 饶睿坚 Rao Ruijian, 吴金云 Wu Jinyun +1 more

研究了里德伯原子系统采用直接解调法对微波调幅信号进行解调时的工作点与基带信号非线性失真之间的关系。首先，利用里德伯原子的电极化率理论表达式，得到在耦合光、探测光和微波的频率均为零失谐条件下，里德伯原子系统对微波调幅信号的解调模型；然后，计算探测光透射率对微波拉比频率的一阶导数和二阶导数，并利用二阶导数为0这一条件，得到里德伯原子汽室的非线性失真最小的点，即最佳线性工作点；最后，采用总谐波失真（THD）来分别研究里德伯原子汽室的静态工作点、基带信号的幅度与解调所引起的非线性失真之间的关系。仿真结果表明，对于里德伯原子133Cs（采用能级6S1/2、6P3/2、47D5/2、48P3/2），当耦合光拉比频率为2π×2.7 MHz，并且调幅微波基带信号的电场强度幅值为1 mV/m时，工作在最佳线性工作点附近的原子汽室所引入的THD可低至-95.4984 dB。

Acta Optica Sinica•Jan 1, 2023•0 citations

光纤通信窗口200 MHz宽带压缩态光场的制备（特邀）

梁少聪 Liang Shaocong, Jialin Cheng, 闫智辉 Yan Zhihui +1 more

正交压缩态的压缩方向与经典通信中的正交幅度调制兼容，因此基于正交压缩的量子通信协议更容易实现实用化和商用化。为此，在实验上制备了对应于光纤通信窗口的200 MHz宽带正交压缩态光场。首先，制作了腔长为8 mm的光学参量放大器，其半峰全宽达到210 MHz。然后，研制了1~300 MHz的低噪声平衡零拍探测器，其共模抑制比可以达到50 dB。最后，在1.3 μm波长处获得了带宽为200 MHz的宽带压缩态光场，这为开展高速量子通信提供了必要的量子光源。

Acta Optica Sinica (Online)•Jan 1, 2024•0 citations

基于频率转移的红外辐亮度绝对测量技术研究

刘宇豪 LIU Yuhao, 夏茂鹏 Xia Maopeng, 郑小兵 Zheng Xiaobing +1 more

基于频率转移技术提出了一种新型红外绝对辐亮度测量方法，实现了红外光源在3 390 nm的绝对辐亮度测量，将光量子“无溯源”定标技术拓展至中波红外。首先，用775 nm连续激光泵浦非周期性极化铌酸锂下转换产生1 005 nm/3 390 nm非简并相关光子对，再利用上转移技术将3 390 nm转换至810 nm，采用参量下转换时间符合法绝对定标上转换单光子探测器在3 390 nm绝对通道量子效率，结合光路的孔径与视场，实现绝对功率响应度至绝对辐亮度定标转换。介绍了基于相关光子时间特性的探测效率定标方法和频率转移的实验装置，分析了死时间、后脉冲、意外符合、非公共部分光路差异性等问题。然后，用定标光路测量了黑体辐射源在125 ℃~200 ℃共4个温度点下3 390 nm的辐亮度，将测量结果与普朗克公式计算辐亮度结果进行对比验证，得到的最大差异为4.3%。研究结果表明，利用下转换和上转换相结合能将相关光子定标技术拓展至中波红外，对实现3 000 nm后的中波红外绝对辐射测量有潜在的应用价值。

ACTA PHOTONICA SINICA•Jan 1, 2025•0 citations

用于冷原子实验的一维折射型光束扫描系统

冯涛 Feng Tao, 杨鹏飞 Yang Pengfei, 范青 Fan Qing +4 more

利用可旋转楔形棱镜（振镜）的光折射效应，实现一维受控的高精度光束扫描系统，并将其用于产生移动的光学偶极阱系统，能够使冷原子在空间内实现大范围绝热转移。光学偶极阱由一束准直的大功率1064 nm激光通过透镜强聚焦形成，其束腰半径为（21.9±0.4） μm。通过设计振镜与透镜之间的距离以及控制振镜的偏转角度，能够使偶极阱束腰在一维方向上实现高精度可控移动，通过设计偶极阱束腰位置移动的加速度形式，能够使偶极阱在22.5 ms内绝热移动7 mm。在平移过程中，光学偶极阱功率起伏为±3.45%，束腰位置在垂直于移动方向上的起伏为共焦参数的±1.7%。利用该系统，可以在30 ms内将原子转移5 mm，原子转移效率大于90.0%，温度变化小于5 μK；当转移时间为45 ms时，原子转移效率达（99.6±4.6）%。通过改善电机响应，最快可在10 ms 内将原子绝热地转移1 mm，原子转移效率为（94.3±3.6）%。该光束扫描系统具有通光孔径大（高斯直径>10 mm）、光损耗极小、噪声低和在移动过程中光频率不变化等优势，能够广泛应用于冷原子及单原子阵列实验中的原子转移和寻址。

Acta Optica Sinica•Jan 1, 2024•1 citation

基于PPLN脊型波导的全光纤1.5 μm压缩态光源的实验制备

孙兵 Bing SUN, 冯晋霞 Jin-xia FENG, 赵蓉 Rong ZHAO +3 more

本文描述了基于周期极化铌酸锂脊型波导（Periodically-Poled Lithium Niobate/Ridge Waveguide，PPLN/RW）通过参量下转换过程产生全光纤压缩态光源的实验。首先，从理论上研究了参量下转换产生压缩态光场过程中获得高压缩度压缩态光场的影响因素。通过建立理论模型重点研究了波导中有效模式面积对压缩度的影响。当有效模式面积Seff取极小值134.76 μm2，此时波导的归一化倍频效率为85.94%（W·cm2）−1，无损耗条件下可产生的压缩度为10.5 dB，考虑实验系统总损耗，理论预测压缩度为2.2 dB。实验上利用1 560 nm窄线宽单频激光器注入频器获得780 nm激光光源。780 nm激光作为基于PPLN/RW的参量下转换过程的泵浦光，制备了1 560 nm压缩态光场，实现了全光纤1 560 nm压缩态光源。在分析频率1.5 MHz处，实验测得压缩态光场的最大压缩度为2.04 dB，压缩态光源带宽为80 MHz。本研究可为实现基于波导的小型化全光纤压缩光源提供理论依据和实验参考，可为量子信息处理、量子计算和量子传感提供更优质的量子光源。

Acta Sinica Quantum Optica•Jan 1, 2025•0 citations
通过实验和理论研究连续变量高功率明亮压缩态光场制备实验中高功率种子光注入光学参量放大器引起的绿光诱导红外吸收效应。首先，通过优化实验系统工作参数，提升反馈控制回路的锁定稳定性，当种子光功率为500 mW、泵浦光功率为145 mW时，在分析频率为3 MHz处，获得光功率为200 μW、压缩度为（-10.7±0.2）dB的明亮压缩态光场。然后，根据实验数据，定量分析高功率明亮压缩态光场与压缩真空态光场产生过程中周期极化磷酸氧钛钾晶体的吸收损耗，发现高功率明亮压缩态光场实验系统的总光学损耗为（9±0.05）%，其中由周期极化磷酸氧钛钾晶体吸收导致的内腔损耗为（5.8±0.05）%，占总光学损耗的（64.4±0.05）%。该条件下周期极化磷酸氧钛钾晶体对高功率明亮压缩态光场的吸收系数为（6.0±0.05）×10-2 cm-1。当泵浦光单独注入光学参量放大器时，周期极化磷酸氧钛钾晶体对压缩真空态光场的吸收系数约为2.1×10-4 cm-1。由此可知，当高功率种子光注入光学参量放大器时，绿光诱导红外吸收效应使周期极化磷酸氧钛钾晶体的吸收系数增加了285倍，使内腔损耗成为高功率明亮压缩态光场压缩度的主要影响因素。
本文通过理论和实验分析了1064 nm高功率明亮压缩态光场实验制备过程中，高功率种子光和泵浦光注入光学参量放大器引起的热透镜效应和模式失配。首先根据热透镜理论模型，定量分析了高功率种子光和泵浦光注入光学参量放大器时，周期极化磷酸氧钛钾晶体内部热透镜的等效焦距。然后根据高斯光束与光学谐振腔的模式匹配理论模型，理论分析了高功率种子光和泵浦光与光学参量放大器的模式失配量。最后在高功率明亮压缩态光场正常输出的工作状态下，重新优化种子光和泵浦光与光学参量放大器的模式匹配效率，在种子光功率为500 mW、泵浦光功率为145 mW的条件下，在分析频率3 MHz处，直接测得光功率为200 μW、压缩度为-10.8 dB±0.2 dB的明亮压缩态光场。上述实验结果与有关文献测得的压缩度仅相差0.1 dB，表明在本文实验系统中，高功率种子光和泵浦光引起的热透镜效应对光学参量放大器输出明亮压缩态光场的压缩度基本没有影响。
研究了里德伯原子系统采用直接解调法对微波调幅信号进行解调时的工作点与基带信号非线性失真之间的关系。首先，利用里德伯原子的电极化率理论表达式，得到在耦合光、探测光和微波的频率均为零失谐条件下，里德伯原子系统对微波调幅信号的解调模型；然后，计算探测光透射率对微波拉比频率的一阶导数和二阶导数，并利用二阶导数为0这一条件，得到里德伯原子汽室的非线性失真最小的点，即最佳线性工作点；最后，采用总谐波失真（THD）来分别研究里德伯原子汽室的静态工作点、基带信号的幅度与解调所引起的非线性失真之间的关系。仿真结果表明，对于里德伯原子133Cs（采用能级6S1/2、6P3/2、47D5/2、48P3/2），当耦合光拉比频率为2π×2.7 MHz，并且调幅微波基带信号的电场强度幅值为1 mV/m时，工作在最佳线性工作点附近的原子汽室所引入的THD可低至-95.4984 dB。
正交压缩态的压缩方向与经典通信中的正交幅度调制兼容，因此基于正交压缩的量子通信协议更容易实现实用化和商用化。为此，在实验上制备了对应于光纤通信窗口的200 MHz宽带正交压缩态光场。首先，制作了腔长为8 mm的光学参量放大器，其半峰全宽达到210 MHz。然后，研制了1~300 MHz的低噪声平衡零拍探测器，其共模抑制比可以达到50 dB。最后，在1.3 μm波长处获得了带宽为200 MHz的宽带压缩态光场，这为开展高速量子通信提供了必要的量子光源。
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利用可旋转楔形棱镜（振镜）的光折射效应，实现一维受控的高精度光束扫描系统，并将其用于产生移动的光学偶极阱系统，能够使冷原子在空间内实现大范围绝热转移。光学偶极阱由一束准直的大功率1064 nm激光通过透镜强聚焦形成，其束腰半径为（21.9±0.4） μm。通过设计振镜与透镜之间的距离以及控制振镜的偏转角度，能够使偶极阱束腰在一维方向上实现高精度可控移动，通过设计偶极阱束腰位置移动的加速度形式，能够使偶极阱在22.5 ms内绝热移动7 mm。在平移过程中，光学偶极阱功率起伏为±3.45%，束腰位置在垂直于移动方向上的起伏为共焦参数的±1.7%。利用该系统，可以在30 ms内将原子转移5 mm，原子转移效率大于90.0%，温度变化小于5 μK；当转移时间为45 ms时，原子转移效率达（99.6±4.6）%。通过改善电机响应，最快可在10 ms 内将原子绝热地转移1 mm，原子转移效率为（94.3±3.6）%。该光束扫描系统具有通光孔径大（高斯直径>10 mm）、光损耗极小、噪声低和在移动过程中光频率不变化等优势，能够广泛应用于冷原子及单原子阵列实验中的原子转移和寻址。
本文描述了基于周期极化铌酸锂脊型波导（Periodically-Poled Lithium Niobate/Ridge Waveguide，PPLN/RW）通过参量下转换过程产生全光纤压缩态光源的实验。首先，从理论上研究了参量下转换产生压缩态光场过程中获得高压缩度压缩态光场的影响因素。通过建立理论模型重点研究了波导中有效模式面积对压缩度的影响。当有效模式面积Seff取极小值134.76 μm2，此时波导的归一化倍频效率为85.94%（W·cm2）−1，无损耗条件下可产生的压缩度为10.5 dB，考虑实验系统总损耗，理论预测压缩度为2.2 dB。实验上利用1 560 nm窄线宽单频激光器注入频器获得780 nm激光光源。780 nm激光作为基于PPLN/RW的参量下转换过程的泵浦光，制备了1 560 nm压缩态光场，实现了全光纤1 560 nm压缩态光源。在分析频率1.5 MHz处，实验测得压缩态光场的最大压缩度为2.04 dB，压缩态光源带宽为80 MHz。本研究可为实现基于波导的小型化全光纤压缩光源提供理论依据和实验参考，可为量子信息处理、量子计算和量子传感提供更优质的量子光源。