研究者首次在五晶體的級聯(lián)中證明了基于晶體超晶格的非線性光學(xué)干涉儀。量子干涉引發(fā)的靈敏度增強(qiáng)使其成為傳感、成像和光譜學(xué)的有前途的工具。

在幾百萬分子和原子中探測到低至幾十個的低濃度粒子是一項令人著迷的研究目標(biāo)?；诩t外的光學(xué)傳感器能檢測到分子內(nèi)部運(yùn)動的微小變化，這些變化構(gòu)成了傳感和識別化學(xué)成分的圖譜，但由于紅外區(qū)域光學(xué)材料的限制，目前還沒有廣泛應(yīng)用?；诜蔷€性晶體、氣室、光纖網(wǎng)絡(luò)和非線性波導(dǎo)的非線性光學(xué)過程的干涉測量方法可以部分解決這些局限性。通常，這些方法依賴于檢測干涉圖樣中的細(xì)微變化的能力，例如條紋的偏移或條紋可見度的變化。

Klyshko提出了一種基于晶體超晶格的解決方案。當(dāng)晶體數(shù)目增加時，由線性間隙隔開的N個非線性元件可以提供更高的光譜分辨率。每個晶體都構(gòu)成一個參量過程，其中一個高能量（泵浦光）光子可產(chǎn)生一個由低能量信號光子和一個具有量子關(guān)聯(lián)的空閑光子組成。雖然該觀點(diǎn)已用實(shí)驗(yàn)證明，但也提出了以下必須解決的挑戰(zhàn)。首先，須在多個非線性元件中保持信號光子和空閑光子之間的量子相關(guān)性。此外，越來越多的非線性波混頻過程需要更高程度的對準(zhǔn)和穩(wěn)定性，這很難實(shí)現(xiàn)。

圖1 基于晶體超晶格的非線性干涉儀原理圖。a 帶有晶體超晶格的非線性干涉儀的示意圖。N ?= 2（左）和N ?= 5（右）的相同非線性晶體被等間距分開，由具有動量kp的泵浦激光器相干泵浦，產(chǎn)生一對相關(guān)信號光子ks（綠色箭頭）和閑散光子ki（紅色箭頭），然后將其重定向到下一個晶體。實(shí)驗(yàn)中，用探測器D測量信號光子的強(qiáng)度。b 具有兩晶體（左）和五晶體（右）的非線性干涉儀的干涉條紋的橫截面。

在最近發(fā)表的一篇論文中，Paterova和Krivitsky首次通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)高效的非線性干涉儀，該干涉儀由一系列非線性晶體超晶格組成的單相干激光泵浦構(gòu)成（圖1a）。與兩晶體相比，五晶體中的魯棒性、穩(wěn)定性以及高可見度頻率-角譜得到良好控制（圖1b）。

該氣體傳感實(shí)驗(yàn)顯示出更高的靈敏度。與以往報道相比，這個新傳感系統(tǒng)有了一些改進(jìn)：首先，以前的工作通常涉及兩個非線性元素，而新傳感系統(tǒng)演示了最多五個非線性元素的情況，但并不限于此數(shù)量；其次，通過調(diào)整晶體尺寸和晶體間的間隙，這種新傳感系統(tǒng)允許靈活地實(shí)現(xiàn)替代晶體構(gòu)型，為開展量子態(tài)工程提出了新方法；第三，這種新型結(jié)構(gòu)可以擴(kuò)展到其他光學(xué)平臺，如集成光子電路和光纖平臺；最后，該新傳感系統(tǒng)可應(yīng)用于多光子區(qū)，這將有助于提高可伸縮器件的收集時間和可行性。

總的來說，非線性干涉儀在傳感、計量、光譜學(xué)、成像和量子態(tài)工程的高性能器件領(lǐng)域有著誘人的發(fā)展前景。

該研究成果以“Nonlinear interferometers with correlated photons: toward spectroscopy and imaging with quantum light”為題，于2020年7月17日發(fā)表在Light: Science & Applications