[论文解读] Bi-photon propagation control with optimized wavefront by means of Adaptive Optics

Mattia Minozzi, Stefano Bonora+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2012

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 10被引用 9

一句话总结

本论文通过使用可变形镜面和蚁群优化算法，实现了对自发参量下转换（SPDC）产生的纠缠光子对空间传播特性的自适应波前整形。通过基于双光子符合计数率实时优化泵浦激光的波前，该方法减少了光束发散，并在2米距离内提升了光纤耦合效率，使符合计数最多提高40%，光斑尺寸缩小五倍。

ABSTRACT

We present an efficient method to control the spatial modes of entangled photons produced through SPDC process. Bi-photon beam propagation is controlled by a deformable mirror, that shapes a 404nm CW diode laser pump interacting with a nonlinear BBO type-I crystal. Thanks to adaptive optical system, the propagation of 808nm SPDC light produced is optimized over a distance of 2m. The whole system optimization is carried out by a feedback between deformable mirror action and entangled photon coincidence counts. We also demonstrated the improvement of the two-photon coupling into single mode fibers.

研究动机与目标

• 通过整形泵浦光束波前，控制经SPDC产生的纠缠光子对的空间模式特性。
• 解决双光子态在长距离自由空间传播过程中的光束发散与对准偏差问题。
• 在2米自由空间路径上，提升SPDC光子对多模与单模光纤的耦合效率。
• 实验验证泵浦光束波前整形可优化双光子波函数并提高符合计数率。
• 展示基于反馈的进化算法在寻找可变形镜面最优配置以用于量子光学应用方面的有效性。

提出的方法

• 使用波长为404 nm的连续波二极管激光泵浦BBO型I类非线性晶体，通过SPDC产生纠缠光子对。
• 采用具有32个促动器的可变形镜面，通过自适应反馈回路控制其表面形状，以整形泵浦光束波前。
• 蚁群优化算法迭代调整镜面促动器的电压，以最大化双光子符合计数作为反馈信号。
• 将泵浦光束扩束并经由可变形镜面进行光路 relay，以匹配其有效孔径并提升波前分辨率。
• 利用单光子雪崩二极管（SPAD）探测信号光子与闲置光子之间的符合计数率，作为优化算法的适应度函数。
• 采用泽尼克多项式分解分析优化后的波前，识别出主导像差，如聚焦误差、散光和彗差。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用自适应光学技术控制SPDC生成的双光子光束的空间传播特性？
• RQ2 泵浦波前整形在长距离自由空间路径上如何影响纠缠光子对的发散度与光束质量？
• RQ3 进化算法在多大程度上可优化波前，以最大化符合计数率与光纤耦合效率？
• RQ4 哪些波前像差（如聚焦误差、散光、彗差）最有效地校正光束发散并改善光束准直性？
• RQ5 相同的优化策略是否可提升单模光纤耦合效率，提升幅度为多少？

主要发现

• 该自适应光学系统通过在2米自由空间路径上优化泵浦波前，使双光子符合计数率提高了40%。
• 在晶体后1.5米处，光斑直径从约3.9 mm减小至1.5 mm，直径缩小五倍。
• 优化后的波前表现出显著的聚焦误差、散光（Z₂,₂）及彗差（Z₃,₁ 和 Z₃,₋₁）分量，共同校正了光束发散。
• 优化后光束形状变为椭圆并沿对角线方向拉长，表明高阶像差的显著影响。
• 在耦合至单模光纤时，符合计数率提升超过20%，从60秒内的20,780 ± 144提升至25,418 ± 159。
• 优化过程呈指数收敛至稳定且高符合计数的配置，算法通过自适应探索成功避开了局部极小值。