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Acta Optica Sinica

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, 姚慧 Yao Hui, 李丽丽 Li Lili

Published Jan 1, 2023• 1 citation
Publisher

Abstract

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。

DOI
10.3788/aos230797

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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 +1 more

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。

Acta Optica Sinica•Jan 1, 2023•4 citations

用于量子传感的非经典光场产生装置

Jing Liu, 中北大学 仪器与电子学院，山西 太原 030000, Wenhai YANG +7 more

光学传感技术具有探测灵敏度高、响应速度快及抗电磁干扰能力强等优势，在微弱信号探测领域展现出广阔的应用前景。然而，随着技术需求的不断提升，传统光学传感手段已难以满足各领域对微弱信号高精度探测的要求。尽管提高激光功率可在一定程度上提升探测灵敏度，但高功率激光会引入显著的噪声，导致信噪比急剧下降。相比之下，利用压缩态光场进行量子传感，可在低激光功率条件下实现突破量子噪声极限的探测灵敏度。针对上述问题，搭建了一套用于制备正交振幅明亮压缩态光场的实验装置。该装置由三个主要部分构成：激光产生部分（包括1064 nm单频激光器与倍频器），压缩态光场产生与探测部分（包括光学参量放大器与平衡零拍探测器），以及反馈控制部分（由7路边带锁频回路构成）。通过优化机械结构、系统光路及反馈控制策略，实现了平均压缩度为（−6.4 ± 0.2）dB，平均光功率为35 μW的压缩态光场稳定输出。

Journal of Applied Optics•Jan 1, 2026•0 citations

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

Shot-noise limited homodyne detection for MHz quantum light characterisation in the 2 µm band

Jake Biele, Joel F. Tasker, Joshua W. Silverstone +1 more

Characterising quantum states of light in the 2 µm band requires high-performance shot-noise limited detectors. Here, we present the characterisation of a homodyne detector that we use to observe vacuum shot-noise via homodyne measurement with a 2.07 µm pulsed mode-locked laser. The device is designed primarily for pulsed illumination. It has a 3-dB bandwidth of 13.2 MHz, total conversion efficiency of 57% at 2.07 µm, and a common-mode rejection ratio of 48 dB at 39.5 MHz. The detector begins to saturate at 1.8 mW with 9 dB of shot-noise clearance at 5 MHz. This demonstration enables the characterisation of megahertz-quantum optical behaviour in the 2 µm band and provides a guide of how to design a 2 µm homodyne detector for quantum applications.

arXiv:2112.01382•Optics Express•Feb 11, 2022•2 citations

腔增强铯原子系综四波混频过程（特邀）

杨静琨 Yang Jingkun, 武晓蔚 Wu Xiaowei, 马荣 Ma Rong +2 more

基于铯原子系综四波混频过程制备的强度差压缩态光场具有波长与铯原子跃迁线匹配和空间多模的优势，在量子信息领域具有重要应用。然而，通过铯原子四波混频过程制备高压缩度的压缩态光场通常需要较高的泵浦光功率和原子池温度，这限制了其应用。本研究结合六镜环形光学谐振腔和铯原子系综，使泵浦光在光学谐振腔内实现单共振，同时让探针光和共轭光单次穿过光学谐振腔，有效提高了泵浦光的利用率，进而实现了腔增强的铯原子四波混频过程，从而显著降低了其对泵浦光功率和原子池温度的要求。实验结果表明，当获得的强度差压缩度为-6 dB时，相比于无腔四波混频过程，腔增强四波混频过程所需的泵浦光功率由600 mW降低至340 mW，并且原子池温度由109 ℃降低至98 ℃。研究结果为发展低功耗、空间多模量子光源提供了新方案，对于促进原子系综四波混频过程的应用具有重要意义。

Laser & Optoelectronics Progress•Jan 1, 2025•1 citation

面向频分复用量子通信的边带纠缠光源实验制备

Shao-Ping Shi, 武奕淼 Yi-miao WU, 刘璇 Xuan LIU +2 more

量子边带纠缠作为一种重要的量子资源，可以通过主动路由的方式将其分配至系统的多个节点，实现多通道、大容量的量子信息处理。利用基于非线性晶体的光学参量下转换过程，可以制备大量的纠缠边带模式，然而在提取及操控这些模式时仍面临挑战。本文提出了一种频率梳种子注入的优化控制方案，利用马赫−曾德尔干涉仪结构的光纤耦合波导振幅调制器对基频光场进行频率调制，制备与纠缠边带模式具有相同频率分布的相干辅助光场，通过将其与光学参量振荡腔输出的空间模式耦合，成功制备了具有相干振幅的明亮边带纠缠光场。结合高效模式滤波、低损耗反馈控制及时间延迟补偿等技术，我们实现了对纠缠边带模式的稳定控制及高效探测。在实验中，我们实现了多对纠缠边带模式的同时探测，测得的正交振幅与正交位相分量的量子关联度在1～15 MHz的带宽内均超过6.0 dB。该方案为纠缠边带模式的控制和扩展提供了一种简单高效的方法，可以进一步被应用于实现多通道复用的量子通信中。

Acta Sinica Quantum Optica•Jan 1, 2024•1 citation
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。
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。
光学传感技术具有探测灵敏度高、响应速度快及抗电磁干扰能力强等优势，在微弱信号探测领域展现出广阔的应用前景。然而，随着技术需求的不断提升，传统光学传感手段已难以满足各领域对微弱信号高精度探测的要求。尽管提高激光功率可在一定程度上提升探测灵敏度，但高功率激光会引入显著的噪声，导致信噪比急剧下降。相比之下，利用压缩态光场进行量子传感，可在低激光功率条件下实现突破量子噪声极限的探测灵敏度。针对上述问题，搭建了一套用于制备正交振幅明亮压缩态光场的实验装置。该装置由三个主要部分构成：激光产生部分（包括1064 nm单频激光器与倍频器），压缩态光场产生与探测部分（包括光学参量放大器与平衡零拍探测器），以及反馈控制部分（由7路边带锁频回路构成）。通过优化机械结构、系统光路及反馈控制策略，实现了平均压缩度为（−6.4 ± 0.2）dB，平均光功率为35 μW的压缩态光场稳定输出。
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。
Characterising quantum states of light in the 2 µm band requires high-performance shot-noise limited detectors. Here, we present the characterisation of a homodyne detector that we use to observe vacuum shot-noise via homodyne measurement with a 2.07 µm pulsed mode-locked laser. The device is designed primarily for pulsed illumination. It has a 3-dB bandwidth of 13.2 MHz, total conversion efficiency of 57% at 2.07 µm, and a common-mode rejection ratio of 48 dB at 39.5 MHz. The detector begins to saturate at 1.8 mW with 9 dB of shot-noise clearance at 5 MHz. This demonstration enables the characterisation of megahertz-quantum optical behaviour in the 2 µm band and provides a guide of how to design a 2 µm homodyne detector for quantum applications.
基于铯原子系综四波混频过程制备的强度差压缩态光场具有波长与铯原子跃迁线匹配和空间多模的优势，在量子信息领域具有重要应用。然而，通过铯原子四波混频过程制备高压缩度的压缩态光场通常需要较高的泵浦光功率和原子池温度，这限制了其应用。本研究结合六镜环形光学谐振腔和铯原子系综，使泵浦光在光学谐振腔内实现单共振，同时让探针光和共轭光单次穿过光学谐振腔，有效提高了泵浦光的利用率，进而实现了腔增强的铯原子四波混频过程，从而显著降低了其对泵浦光功率和原子池温度的要求。实验结果表明，当获得的强度差压缩度为-6 dB时，相比于无腔四波混频过程，腔增强四波混频过程所需的泵浦光功率由600 mW降低至340 mW，并且原子池温度由109 ℃降低至98 ℃。研究结果为发展低功耗、空间多模量子光源提供了新方案，对于促进原子系综四波混频过程的应用具有重要意义。
量子边带纠缠作为一种重要的量子资源，可以通过主动路由的方式将其分配至系统的多个节点，实现多通道、大容量的量子信息处理。利用基于非线性晶体的光学参量下转换过程，可以制备大量的纠缠边带模式，然而在提取及操控这些模式时仍面临挑战。本文提出了一种频率梳种子注入的优化控制方案，利用马赫−曾德尔干涉仪结构的光纤耦合波导振幅调制器对基频光场进行频率调制，制备与纠缠边带模式具有相同频率分布的相干辅助光场，通过将其与光学参量振荡腔输出的空间模式耦合，成功制备了具有相干振幅的明亮边带纠缠光场。结合高效模式滤波、低损耗反馈控制及时间延迟补偿等技术，我们实现了对纠缠边带模式的稳定控制及高效探测。在实验中，我们实现了多对纠缠边带模式的同时探测，测得的正交振幅与正交位相分量的量子关联度在1～15 MHz的带宽内均超过6.0 dB。该方案为纠缠边带模式的控制和扩展提供了一种简单高效的方法，可以进一步被应用于实现多通道复用的量子通信中。