[论文解读] Spatially single-mode source of bright squeezed vacuum

A. M. Pérez, T. Sh. Iskhakov+5 more|Feb 12, 2014

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 15被引用 30

一句话总结

该论文通过在行波光学参量放大器中使用两个空间分离、取向相反的BBO晶体，实现了空间单模的明亮压缩真空（BSV）光源。通过增加晶体间的距离，BSV的角谱被展宽至单个横向模式，实现了mₜ = 1.13的高压缩度（NRF = 0.65），同时保持了高亮度和非经典特性。

ABSTRACT

Bright squeezed vacuum, a macroscopic nonclassical state of light, can be obtained at the output of a strongly pumped non-seeded traveling-wave optical parametric amplifier (OPA). By constructing the OPA of two consecutive crystals separated by a large distance we make the squeezed vacuum spatially single-mode without a significant decrease in the brightness or squeezing.

研究动机与目标

• 生成具有空间单模特性的明亮压缩真空态，克服高增益参量放大中固有的多模特性。
• 解决在块状非线性晶体中实现空间模式控制的同时保持高亮度和强非经典性的挑战。
• 实验验证增加两个非线性晶体之间距离可减小发射参量下转换辐射的角带宽。
• 通过二阶强度相关测量和噪声抑制因子（NRF）表征验证单模工作状态。
• 探索在非腔体、非波导、块状晶体基的BSV光源中，模式纯度、亮度与压缩度之间的权衡。

提出的方法

• 采用由两个连续排列、取向相反的BBO晶体组成的行波光学参量放大器（OPA），以抑制走离效应并延长相互作用长度。
• 增加两个晶体之间的物理距离L，以减小参量下转换（PDC）辐射的角宽度Δθ，其中Δθ ≈ a/L，a为泵浦光束腰半径。
• 采用窄带光谱滤波（0.1 nm）以隔离mₗ ≈ 1.25个纵向模式，通过g⁽²⁾(0) = 1 + 1/m精确测量横向模式数。
• 测量二阶强度相关函数g⁽²⁾(0)以推断总横向模式数mₜ，其值接近1.13，表明接近单模工作状态。
• 在非简并频率配置下进行噪声抑制因子（NRF）测量以量化压缩度，在L = 11.5 cm处测得NRF = 0.65。
• 使用中性密度滤光片和光束准直以防止探测器饱和，并确保强度与相关测量的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在块状晶体装置中实现空间单模的明亮压缩真空态，同时不牺牲亮度或非经典性？
• RQ2 增加两个非线性晶体之间的距离如何影响生成BSV的角谱带宽和模式数？
• RQ3 在保持可观测压缩度的前提下，横向模式数可减少到多接近单模（mₜ ≈ 1）？
• RQ4 空间模式结构如何影响测得的二阶相关函数g⁽²⁾(0)和噪声抑制因子（NRF）？
• RQ5 光束腰和瑞利范围对强度和相关测量中观察到的干涉条纹有何影响？

主要发现

• 在晶体间距L = 11.5 mm时，横向模式数减少至mₜ = 1.13，表明明亮压缩真空处于近单模工作状态。
• 测得二阶强度相关函数g⁽²⁾(0)为1.08，与单个横向模式及窄带滤波（mₗ ≈ 1.25）一致。
• 观察到显著压缩，噪声抑制因子（NRF）为0.65（L = 11.5 cm），表明尽管存在模式纯度的权衡，仍具有非经典性。
• 强度和g⁽²⁾(0)的振荡周期为35 mm，归因于两个空间分离晶体贡献之间的干涉。
• 实验测得的强度包络在L = 11 cm处出现局部最大值，归因于光束腰位置，与假设光束直径恒定的理论预测存在偏差。
• 即使亮度和模式数降低，系统仍保持强非经典特性，证实了在块状晶体中实现单模BSV的可行性。