當(dāng)前時(shí)訊：中國科大實(shí)現(xiàn)了一種基于諧波輔助的光學(xué)相位放大測量

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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了一種基于諧波輔助的光學(xué)相位放大測量技術(shù)。該團(tuán)隊(duì)史保森教授、周志遠(yuǎn)副教授等人提出了一種基于諧波輔助實(shí)現(xiàn)光學(xué)相位放大的基本原理，并且利用級聯(lián)三波混頻過程初步實(shí)現(xiàn)了干涉儀中相對相位的4倍放大。相關(guān)研究成果以“Harmonics-assisted optical phase amplifier”為題于2022年10月27日在線發(fā)表在著名期刊《光科學(xué)與應(yīng)用》上[Light: Sci. & Appl. 11, 312 (2022)]。

干涉是一種基本的光學(xué)現(xiàn)象，在近代物理的發(fā)展過程中發(fā)揮著舉足輕重輕重的作用。無論是“以太”的驗(yàn)證、量子力學(xué)的構(gòu)建以及引力波的探測都離不開干涉原理和技術(shù)。相位是波動(dòng)光學(xué)和量子光學(xué)中一個(gè)非常重要的參數(shù)，干涉儀中光程差變化與相對相位變化一一對應(yīng)。在光學(xué)精密測量中，幾乎所有物理量（如位置、角度、電磁場等）的測量都可以轉(zhuǎn)化為對干涉儀中相對位相變化（或者光程差變化）的測量，因此如何精確測量干涉儀的相位變化是光學(xué)科學(xué)工作者孜孜以求的目標(biāo)。一個(gè)樸素的想法是通過干涉儀中相對相位放大來提升相位測量分辨率。在量子光學(xué)中，通過在干涉儀中注入多光子NOON態(tài)（粒子數(shù)與路徑糾纏態(tài)）可以實(shí)現(xiàn)相對相位的N倍放大，然而多光子NOON態(tài)非常難制備（目前最大的N在10左右），并且隨著光子數(shù)的增加測量累積時(shí)間指數(shù)上升，無法實(shí)時(shí)測量。因此，尋找新的光學(xué)相位放大原理是一個(gè)非常重要的科學(xué)問題。

史保森教授、周志遠(yuǎn)副教授研究組長期從事基于非線性效應(yīng)的光學(xué)干涉現(xiàn)象研究。 在2014年，研究組在軌道角動(dòng)量疊加態(tài)的非線性倍頻研究中發(fā)現(xiàn)不僅軌道角動(dòng)量拓?fù)浜杉颖?，而且輸入軌道角?dòng)量疊加態(tài)的相對相位也會(huì)加倍[Opt. Express 22, 20298(2014)]。受此工作的啟發(fā)，針對以下問題開展研究：在非線性過程中是否可以實(shí)現(xiàn)基于其它自由度干涉的相位加倍？這種加倍過程是否可以進(jìn)行級聯(lián)？研究結(jié)果對這兩個(gè)問題的回答是肯定的。以三波混頻中的倍頻為例，在微觀過程中，湮滅兩個(gè)基頻光子會(huì)產(chǎn)生一個(gè)倍頻光子，基頻光子所攜帶的相位信息被相干地傳遞到倍頻光子中，因而導(dǎo)致了相位的加倍放大。將該過程進(jìn)行級聯(lián)和循環(huán)，原則上可以實(shí)現(xiàn)任意整數(shù)倍的相位放大。

基于上述原理，實(shí)驗(yàn)上將1560nm的脈沖激光輸入一個(gè)偏振干涉儀，兩個(gè)偏振模式的相位通過一個(gè)壓電陶瓷控制，其輸出端經(jīng)過了兩次偏振無關(guān)的倍頻過程：第一次1560nm到780nm偏振無關(guān)的倍頻通過在Sagnac干涉儀中放置一塊PPKTP晶體實(shí)現(xiàn)，第二次780nm到390nm偏振無關(guān)倍頻則通過兩塊正交的BBO晶體實(shí)現(xiàn)。通過在壓電陶瓷上加載相同的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，我們觀測到780nm和390nm光的干涉周期分別為1560nm光干涉的2倍和4倍，驗(yàn)證了我們提出的相位放大原理的可行性（如圖1所示）。為了證明該放大原理不依賴于觀測光的波長，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了倍頻與差頻的級聯(lián)過程（如圖2所示），實(shí)驗(yàn)觀測到在相同的激光波長下干涉曲線同樣具有加倍的現(xiàn)象，這就為后續(xù)通過循環(huán)過程實(shí)現(xiàn)更高倍數(shù)的相位放大奠定基礎(chǔ)。

圖1.級聯(lián)四倍放大實(shí)驗(yàn)原理圖。(a)相位放大實(shí)驗(yàn)裝置，(b)相位放大實(shí)驗(yàn)結(jié)果，a-c分別對應(yīng)基頻光、二次諧波和四次諧波的干涉測量結(jié)果。

圖2.頻率無關(guān)的相位放大實(shí)驗(yàn)原理圖。(a)頻率無關(guān)的相位放大實(shí)驗(yàn)裝置，(b)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，紅色曲線為干涉儀直接出射的基頻光干涉結(jié)果，藍(lán)色曲線為經(jīng)過相位放大但光學(xué)頻率沒有改變的干涉結(jié)果。

該工作揭示了一種新型的光學(xué)相位放大機(jī)理并且在實(shí)驗(yàn)上得到了初步驗(yàn)證。下一步可利用強(qiáng)度更高的激光以及利用級聯(lián)和循環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)更高放大倍數(shù)的演示，與此同時(shí)還將探索基于該放大原理在光學(xué)精密測量中的相關(guān)應(yīng)用。該工作的共同第一作者是博士生李武振和已畢業(yè)的楊琛博士，共同通信作者是周志遠(yuǎn)副教授和史保森教授。

標(biāo)簽： 可以實(shí)現(xiàn) 軌道角動(dòng)量