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(chǎn)生頻率為 的光，通過此過程可以有效拓展連續(xù)單頻激光頻率范圍以及產(chǎn)生特定頻率的連續(xù)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(chǎn)業(yè)化方向發(fā)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(xù)變量壓縮態(tài)光場，需要高性能的集成倍頻系統(tǒng)。

　　目前制備高性能連續(xù)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(chǎn)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(fā)。

　　創(chuàng)新內(nèi)容

　　為了解決目前倍頻系統(tǒng)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(xiàn)相位匹配以進行倍頻轉換;通過重新優(yōu)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(wěn)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(tài)激光器發(fā)射出的基頻光首先經(jīng)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(jīng)過第一模式清潔器(MC1)以優(yōu)化激光器輸出的光束質量并降低激光的強度噪聲，之后經(jīng)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(nèi)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(jīng)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(shù)據(jù)點為優(yōu)化模式匹配效率前的計算結果，紅色數(shù)據(jù)點是優(yōu)化后的數(shù)據(jù)：在基頻光功率為1.15 W時，可實現(xiàn)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(nèi)第二模式清潔器輸出倍頻光的功率穩(wěn)定性，根據(jù)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(wěn)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(yōu)化，實現(xiàn)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(xù)的工作中，課題組將利用此成本低、集成度高、穩(wěn)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(tài)光場的實用化研究。

　　參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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