利用鈮酸鋰晶體倍頻激光，制備實用化、集成量子壓縮光源

　　二次諧波過程是指頻率為 的單色光入射到非線性介質后產生頻率為 的光，通過此過程可以有效拓展連續單頻激光頻率范圍以及產生特定頻率的連續單頻激光，在量子信息科學、激光光譜學以及非線性光學方面有重要應用。

　　如今，量子計算，量子通訊等量子信息科學正在向實用化、產業化方向發展，量子壓縮光源作為量子信息科學重要基礎資源，同樣需要向集成化和小型化方向邁進。制備不同頻率波段的連續變量壓縮態光場，需要高性能的集成倍頻系統。

　　目前制備高性能連續變量量子壓縮光源時，常用以色列Raicol Crystals公司加工的PPKTP晶體來完成泵浦光場的制備，對應倍頻轉化效率大概在70%左右。但是此晶體價格昂貴且生產周期長，不利于推動實用化低成本集成量子壓縮光源的研發。

　　創新內容

　　為了解決目前倍頻系統的高成本實用化問題，山西大學光電研究所鄭耀輝教授課題組以鈮酸鋰晶體(MgO:LiNbO3)作為非線性介質，利用臨界相位匹配技術實現相位匹配以進行倍頻轉換;通過重新優化模式匹配來補償熱透鏡效應對倍頻轉化效率的影響。此倍頻腔集成度高，穩定性好，為制備實用化集成量子壓縮光源提供了技術支撐，有利于推動基于量子壓縮光源的量子信息科學的實用化進程。

　　實驗裝置圖如圖1所示：全固態激光器發射出的基頻光首先經過第一光學隔離器(OI1)，光學隔離器能防止下游光路的光束反饋到激光器;再經過第一模式清潔器(MC1)以優化激光器輸出的光束質量并降低激光的強度噪聲，之后經過第二光學隔離器(OI2)及一組匹配透鏡注入倍頻腔中。

　　圖1 實驗裝置圖

　　考慮到熱透鏡效應對腔內腰斑的影響，課題組改變了透鏡組位置并重新進行了模式匹配，并測量了倍頻轉換效率。倍頻腔輸出的綠光經過另一組匹配透鏡組耦合到光學模式清潔器(MC2)上，用于改善綠光光斑空間模式并降低噪聲強度。

　　實驗結果如圖2所示，黑色數據點為優化模式匹配效率前的計算結果，紅色數據點是優化后的數據：在基頻光功率為1.15 W時，可實現最大倍頻轉換效率為(49.3±0.45)%的倍頻過程，對應532 nm激光輸出功率為567.0 mW。圖中曲線為對應的理論擬合結果。

　　圖2 倍頻轉換效率隨注入功率的變化

　　此外，課題組測量了1小時內第二模式清潔器輸出倍頻光的功率穩定性，根據均方根誤差的公式計算得其功率波動為1.05%(圖3)。由此可知，倍頻腔的尺寸為：8 cm×5 cm×9 cm。

　　圖3 功率穩定性的測量

　　之后，利用第二模式清潔器對綠光的空間模式以及強度噪聲進行優化，實現了輸出功率為470 mW、光束質量因子為1.05且在分析頻率為1.65 MHz處達到散粒噪聲極限的低噪聲綠光激光輸出。

　　展望

　　在后續的工作中，課題組將利用此成本低、集成度高、穩定性好的倍頻腔進行實用化集成量子壓縮光源的探索，并進一步開展基于壓縮態光場的實用化研究。

　　參考文獻： 中國光學期刊網

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