[论文解读] Coherent control with broadband squeezed vacuum

Barak Dayan, Avi Pe’er+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2003

Laser-Matter Interactions and Applications参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文表明，尽管宽带压缩真空态具有非相干性和热噪声特性，仍可像变换极限的超短脉冲一样相干驱动双光子相互作用。通过使用脉冲整形技术施加光谱相位滤波，作者实现了对和频生成（SFG）的相干控制，将量子信号抑制高达86.5%，其结果与相干脉冲实验一致，证明双光子过程中量子干涉行为取决于频率对之间的相关相位特性，而非输入光本身的相干性。

ABSTRACT

We report the experimental demonstration of coherent control with high power, broadband squeezed vacuum. Although incoherent and exhibiting the statistics of a thermal noise, broadband squeezed vacuum is shown to induce certain two-photon interactions as a coherent ultrashort pulse with the same spectral bandwidth. Utilizing pulse-shaping techniques we coherently control the sum-frequency generation of broadband squeezed vacuum over a range of two orders of magnitude. Coherent control of two-photon interactions with broadband squeezed vacuum can potentially obtain spectral resolutions and extinction ratios that are practically unattainable with coherent pulses.

研究动机与目标

• 研究宽带压缩真空尽管具有非相干和类热噪声特性，是否仍能引发相干双光子相互作用。
• 检验当宽带压缩真空驱动非线性过程（如和频生成，SFG）时，脉冲整形技术是否能实现相干控制。
• 确定控制双光子过程的量子干涉是否依赖于互补频率对之间的光谱相位相关性，而非光源的整体相干性。
• 确立高功率、宽带压缩真空可实现常规相干脉冲无法达到的光谱分辨率与消光比。

提出的方法

• 实验通过在非线性晶体中进行参量下转换过程，利用窄带泵浦激光生成宽带压缩真空态。
• 利用脉冲整形器对压缩真空的光谱振幅和相位进行调控，施加线性与正弦光谱相位滤波。
• 测量在532 nm波长处的SFG信号，作为施加光谱相位的函数，泵浦频率设定为ωp。
• 对光谱的两半对称施加线性相位滤波，从而在高低频分量之间引入有效延迟。
• 采用正弦相位滤波，测试关于ωp/2对称与反对称的相位函数，验证反对称滤波不影响SFG，而对称滤波则抑制量子信号。
• 理论建模采用双光子相互作用振幅表达式：pf ∝ |∫ E(Ω/2+ξ)E(Ω/2−ξ) dξ|²，其中E(ω)表示压缩真空的光谱振幅。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管宽带压缩真空具有非相干和类热噪声特性，是否仍能引发如和频生成等相干双光子相互作用？
• RQ2 利用宽带压缩真空实现SFG的相干控制，是否依赖于互补频率对之间的光谱相位相关性，而非光源的整体相干性？
• RQ3 对宽带压缩真空施加脉冲整形技术，是否能实现与对相干超短脉冲相同的SFG控制效果？
• RQ4 通过对称相位滤波可实现多大程度的信号抑制？其与经典背景水平相比如何？
• RQ5 双光子过程中量子干涉在多大程度上依赖于压缩真空中频率配对分量之间的相位反相关性？

主要发现

• 由宽带压缩真空激发的SFG信号表现出与变换极限超短脉冲相当的相干行为，尽管实际脉冲宽度长出五个数量级，其时间分辨率仍可达约65 fs。
• 施加线性光谱相位滤波，使光谱一半延迟1.5 ps，可将量子SFG信号抑制至最大值的约13.5%，与预期的约1%经典背景水平一致。
• 当施加正弦相位滤波且相位偏移θ = ±π/2时，SFG信号达到最小值，证实对称相位滤波影响量子干涉，而反对称滤波则无影响。
• 尽管经典背景仅约1%，量子信号仍被抑制至最大值的13.5%，表明残留信号源于压缩真空光谱包络的单次涨落。
• 结果证实，双光子干涉所需的相干性源于压缩真空中互补频率对之间的相位反相关性，而非整体光谱相位相干性。
• 本研究证明，高功率、宽带压缩真空可实现常规相干脉冲无法达到的光谱分辨率与消光比，为多光子显微成像与多用户光通信等应用开辟新可能。