基于受激参量下转换过程的高亮度压缩光源

1.本实用新型涉及量子信息处理技术领域，具体涉及一种高亮度压缩光源，适用于量子通信，量子计算，量子精密测量等应用领域。


背景技术：

2.压缩光源作为一种非经典相干光源，其与经典相干光源相比，在不违背heisenberg不确定性关系的前提下，其光场相空间中的一个特定方向的涨落被抑制。一方面，压缩光场的这一性质使其广泛被应用于量子精密测量领域；此外，相空间亦可以用于编码，表明压缩光源在量子信息处理方面亦有极大的应用潜力。另一方面，压缩光源的非经典性要求光子必然成对发射，这便意味着压缩光源亦可以用来产生非相空间自由度的纠缠光子对，基于此性质构造的纠缠光源已被广泛应用于量子信息领域的方方面面。
3.实验上有多种产生相干光场压缩态的方法，包括基于量子点、光纤的方案等。其中，最常用的方法是基于非线性光学晶体如β
‑
偏硼酸钡晶体(bbo)或周期性极化磷酸氧钛钾晶体(ppktp)的自发参量下转换(spdc)过程。spdc过程产生的平均光子数(即亮度)一方面决定了量子信息处理任务的执行速度；另一方面也与光源的压缩量正相关，从而对量子精密测量的精度造成影响。在相同晶体、滤波、收集以及探测条件下，压缩光源的亮度与泵浦功率成正比。但通过提高泵浦功率提升压缩光源亮度存在诸多问题：一方面，随着泵浦功率的提高，晶体内的非线性效应会劣化出射光场的纯度；另一方面，在很多实际应用场景下，泵浦光场的功率有限。因此亟需一种压缩光源设计方案，在相同泵浦功率以及晶体设计的前提下极大地提升光源亮度。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种基于受激参量下转换过程的高亮度压缩光源，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
5.为了实现上述目的，作为本实用新型的一方面，提供了一种基于受激参量下转换过程的高亮度压缩光源，所述高亮度压缩光源包括：
6.激光器光源系统，用于提供泵浦光源；
7.非线性晶体，用于对来自激光器光源系统的泵浦光进行受激参量下转换；
8.凹面反射镜，用于将来自非线性晶体的泵浦光和压缩光反射到非线性晶体上；
9.双波长相位调节器，用于调节泵浦光与参量下转换过程所产生压缩光之间的相位；
10.λ/4波片，用于不影响对于光谱解关联设计的非线性晶体解关联的关联光谱性质。
11.其中，所述激光器光源系统包括激光器，所述激光器用于产生初始泵浦光。
12.其中，所述激光器光源系统还包括聚焦透镜，所述聚焦透镜用于将泵浦光聚焦于用于参量下转换过程的非线性晶体上。
13.其中，所述非线性晶体包括ppktp晶体。
14.其中，所述非线性晶体应满足在所选泵浦激光波长下是共线ii型相位匹配。
15.其中，所述凹面反射镜焦距为大于等于50mm，从而保证所产生的压缩光以及泵浦光经其反射后均能够再次聚焦于非线性晶体，且束腰重合度较好。
16.其中，所述激光器系统光源作为泵浦光，垂直入射非线性晶体后，经距离晶体2倍焦距处的凹面反射镜反射，压缩光以及泵浦光再次聚焦于晶体，利用受激参量下转换过程能够极大地提升光源总亮度。
17.其中，所述双波长相位调节器以及λ/4波片均置于非线性晶体与凹面反射镜之间。
18.其中，当非线性晶体为光谱解关联设计时应当插入λ/4波片，以及保证受激辐射过程的引入不会影响该特性。
19.基于上述技术方案可知，本实用新型的高亮度压缩光源相对于现有技术至少具有如下有益效果之一或其中的一部分：
20.(1)本实用新型采取的压缩光源结构，可在相同泵浦功率下，理论上使同一块晶体能够提供的压缩光源亮度达到传统方案的四倍，且对于光谱解关联设计的非线性晶体，不影响其解关联的关联光谱性质。
21.(2)本实用新型采用共线的ii型相位匹配非线性晶体，因此可以消除产生的光子对空间可区分性的问题。
22.(3)本实用新型结构简单，因此调节方便，集成度高，易于扩展。
附图说明
23.图1示意性示出了根据本实用新型的一个实施例的高亮度压缩光源设计图；
24.图2示意性出示了根据本实用新型的一个实施例的相位调节器设计(单位为mm)。
具体实施方式
25.本实用新型的目的在于解决如何在泵浦功率不变的情形下，用同样的非线性晶体达到更高的压缩光源的亮度，并对于光谱解关联设计的非线性晶体，保证其关联光谱特性不变。
26.本实用新型公开了一种基于受激参量下转换过程的高亮度压缩光源，所述高亮度压缩光源包括：
27.激光器光源系统，用于提供泵浦光源；
28.非线性晶体，用于对来自激光器光源系统的泵浦光进行受激参量下转换；
29.凹面反射镜，用于将来自非线性晶体的泵浦光和压缩光反射到非线性晶体上；
30.双波长相位调节器，用于调节泵浦光与参量下转换过程所产生压缩光之间的相位；
31.λ/4波片，用于不影响对于光谱解关联设计的非线性晶体解关联的关联光谱性质。
32.其中，所述激光器光源系统包括激光器，所述激光器用于产生初始泵浦光。
33.其中，所述激光器光源系统还包括聚焦透镜，所述聚焦透镜用于将泵浦光聚焦于用于参量下转换过程的非线性晶体上。
34.其中，所述非线性晶体包括ppktp晶体。
35.其中，所述非线性晶体应满足在所选泵浦激光波长下是共线ii型相位匹配。
36.其中，所述凹面反射镜焦距为大于等于50mm，从而保证所产生的压缩光以及泵浦光经其反射后均能够再次聚焦于非线性晶体，且束腰重合度较好。
37.其中，所述激光器系统光源作为泵浦光，垂直入射非线性晶体后，经距离晶体2倍焦距处的凹面反射镜反射，压缩光以及泵浦光再次聚焦于晶体，利用受激参量下转换过程能够极大地提升光源总亮度。
38.其中，所述双波长相位调节器以及λ/4波片均置于非线性晶体与凹面反射镜之间。
39.其中，当非线性晶体为光谱解关联设计时应当插入λ/4波片，以及保证受激辐射过程的引入不会影响该特性。
40.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型作进一步的详细说明。
41.1、基于受激pdc过程高亮度压缩光源的一种示例光路设计
42.图1为本实用新型提出的基于受激pdc过程高亮度压缩光源的一种示例光路设计。
43.在该实施例中，泵浦光为近似高斯波包的飞秒脉冲激光器，激光器波长范围为760
‑
790nm，线宽0.3nm
‑
10nm，经透镜聚焦后，从右向左输入。
44.在该实施例中，非线性晶体采用ppktp，采取共线ii型相位匹配设计，且该晶体被设计为关联光谱解关联，以及水平偏振泵浦。
45.在该实例中，ppktp晶体放置于泵浦光束腰处，并置于连接温控装置的黄铜座中，用以维持晶体恒温，从而防止温漂造成的压缩光波长漂移。ppktp晶体的两端面均针对0
°
入射的泵浦光波段以及压缩光波段镀增透膜。
46.在该实例中，泵浦光穿过ppktp晶体后，与所产生的压缩光一道，被放置于ppktp晶体后2倍焦距距离处凹面反射镜反射，原路返回并重新聚焦于ppktp晶体上。凹面反射镜针对0
°
入射的泵浦光波段以及压缩光波段镀反射膜。
47.在该实例中，λ/4波片以及双波长相位调节器均置于ppktp晶体于凹面反射镜之间，均针对0
°
入射的泵浦光波段以及压缩光波段镀增透膜。
48.在该实例中，双波长相位调节器设计如图2所示(单位为mm)，该双波长相位调节器为矩形k9玻璃片，其厚度从上至下线性变化约200微米。随着该玻璃片的上下移动(如图1)，光束穿过其光程逐渐变化，于是压缩光与泵浦光之间的相对相位因介质的色散亦在变化。
49.在该实例中，针对压缩光波长设计的λ/4波片其光轴与水平方向成45
°
角放置，第一次穿过晶体所得压缩光与泵浦光穿过其两次，其中压缩光的水平和竖直分量互换，泵浦光不受影响，依旧为水平偏振。
50.在该实例中，使用了双色镜放置于ppktp晶体前，用以将第二次通过晶体所得的受激pdc光(即我们所制备的压缩光)分离。双色镜镀膜应满足对于45
°
入射的泵浦光全透射，对于45
°
入射的压缩光全反射。
51.以上所述示例装置，在各元件均理想的情形下，即能够达到传统光源四倍的光子产率；特别地，该晶体为光谱解关联设计，此受激pdc源的设计能保证其光谱关联性质不变，即经双色镜反出的最终所得压缩光其o光和e光的关联光谱仍然解关联。
52.2、光源设计的理论分析
53.下面针对上述实施例给出理论分析，论证该设计能够达到预期有益效果。
54.pdc过程为二阶非线性过程，在泵浦光为相干态时，其hamiltonian在相互作用绘
景下可以写为
[0055][0056]
其中χ为包含泵浦光光强信息以及非线性系数的实参数，此hamiltonian所对应演化作用于真空态即可得到双模压缩态。于实际spdc过程而言，我们需考虑泵浦光线宽，晶体体积有限等实际因素，最终对于单次透过非线性晶体的spdc过程，有
[0057][0058]
其中χ(z)为ppktp晶体中等效折射率与晶体位置的关系，α(ω)描述泵浦光线型。
[0059]
基于上述过程，容易得到该实例光路设计所对应hamiltonian为
[0060][0061]
其中φ为泵浦光与spdc过程产生压缩光的相对相位，实例中双波长相位调节器所调即此。由于该实例中ppktp晶体为解关联设计，在相位匹配条件时仍满足群速度匹配条件，即
[0062]
2k
p
′
(ω
o0
+ω
p0
)＝k
o
′
ω
o0
)+k
p
′
(ω
p0
)
[0063]
上式中撇号代表求导运算。于是此时在中心波长附近，有
[0064]
δk(ω
o
，ω
e
)＝
‑
δk(ω
e
，ω
o
)
[0065]
经整理后可知
[0066][0067]
此hamiltonian与单次透过非线性晶体的spdc过程相比，仅相差一个系数1+exp(iφ)。一方面表明受激pdc源所产生光场为标准的压缩光场，且对于即光谱关联的晶体设计而言，受激pdc源并不会改变其光谱关联性质；另一方面系数1+exp(iφ)表明受激pdc源和传统spdc源所产生压缩光场振幅相差一个比值，当调整双波长相位调节器处于φ＝0时，受激pdc源可获得二倍的光场振幅，对应于光子产率即四倍。
[0068]
以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。