利用铌酸锂晶体倍频激光，制备实用化、集成量子压缩光源

封面文章|田宇航,王俊萍,杨文海,田龙,王雅君,郑耀辉. 集成量子压缩光源中MgO∶LiNbO₃晶体倍频系统研究[J]. 中国激光, 2020, 47(11): 1108001

撰稿人：田宇航 郑耀辉

研究背景

二次谐波过程是指频率为ω的单色光入射到非线性介质后产生频率为2ω的光，通过此过程可以有效拓展连续单频激光频率范围以及产生特定频率的连续单频激光，在量子信息科学、激光光谱学以及非线性光学方面有重要应用。

如今，量子计算，量子通讯等量子信息科学正在向实用化、产业化方向发展，量子压缩光源作为量子信息科学重要基础资源，同样需要向集成化和小型化方向迈进。制备不同频率波段的连续变量压缩态光场，需要高性能的集成倍频系统。

目前制备高性能连续变量量子压缩光源时，常用以色列Raicol Crystals公司加工的PPKTP晶体来完成泵浦光场的制备，对应倍频转化效率大概在70%左右。但是此晶体价格昂贵且生产周期长，不利于推动实用化低成本集成量子压缩光源的研发。

创新研究

为了解决目前倍频系统的高成本实用化问题，山西大学光电研究所郑耀辉教授课题组以铌酸锂晶体（MgO:LiNbO₃）作为非线性介质，利用临界相位匹配技术实现相位匹配以进行倍频转换；通过重新优化模式匹配来补偿热透镜效应对倍频转化效率的影响。此倍频腔集成度高，稳定性好，为制备实用化集成量子压缩光源提供了技术支撑，有利于推动基于量子压缩光源的量子信息科学的实用化进程。

实验装置图如图1所示：全固态激光器发射出的基频光首先经过第一光学隔离器（OI1），光学隔离器能防止下游光路的光束反馈到激光器；再经过第一模式清洁器（MC1）以优化激光器输出的光束质量并降低激光的强度噪声，之后经过第二光学隔离器（OI2）及一组匹配透镜注入倍频腔中。

图1 实验装置图

考虑到热透镜效应对腔内腰斑的影响，课题组改变了透镜组位置并重新进行了模式匹配，并测量了倍频转换效率。倍频腔输出的绿光经过另一组匹配透镜组耦合到光学模式清洁器（MC2）上，用于改善绿光光斑空间模式并降低噪声强度。实验结果如图2所示，黑色数据点为优化模式匹配效率前的计算结果，红色数据点是优化后的数据：在基频光功率为1.15 W时，可实现最大倍频转换效率为（49.3±0.45）%的倍频过程，对应532 nm激光输出功率为567.0 mW。图中曲线为对应的理论拟合结果。

图2 倍频转换效率随注入功率的变化

此外，课题组测量了1小时内第二模式清洁器输出倍频光的功率稳定性，根据均方根误差的公式计算得其功率波动为1.05%（图3）。由此可知，倍频腔的尺寸为：8 cm×5 cm×9 cm。

图3 功率稳定性的测量

之后，利用第二模式清洁器对绿光的空间模式以及强度噪声进行优化，实现了输出功率为470 mW、光束质量因子为1.05且在分析频率为1.65 MHz处达到散粒噪声极限的低噪声绿光激光输出。

结论

在后续的工作中，课题组将利用此成本低、集成度高、稳定性好的倍频腔进行实用化集成量子压缩光源的探索，并进一步开展基于压缩态光场的实用化研究。

课题组介绍

山西大学光电研究所自上世纪九十年代开展连续变量量子非经典光场制备与应用方面的实验与理论研究。近年来，在量子精密测量和量子信息技术需求牵引下，山西大学光电研究所郑耀辉教授课题组利用自主研发的低噪声反馈锁定系统，获取了一系列实验成果，实现了12.6 dB明亮压缩态光场、13.8 dB压缩真空态光场以及纠缠度高达11.1 dB的连续变量纠缠态光场的制备，成为国际上可获得高于10 dB压缩态光场和纠缠态光场的少数几个实验室之一，为精密测量物理以及量子传感领域提供性能卓越的连续变量非经典光场。

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