新型非線性幹涉儀將在量子光譜學、成像等領域發光發熱

研究者首次在五晶體的級聯中證明了基於晶體超晶格的非線性光學幹涉儀。量子幹涉引發的靈敏度增強使其成為傳感、成像和光譜學的有前途的工具。

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。基於紅外的光學傳感器能檢測到分子內部運動的微小變化，這些變化構成了傳感和識別化學成分的圖譜，但由於紅外區域光學材料的限制，目前還沒有廣泛應用。基於非線性晶體、氣室、光纖網絡和非線性波導的非線性光學過程的幹涉測量方法可以部分解決這些局限性。通常，這些方法依賴於檢測幹涉圖樣中的細微變化的能力，例如條紋的偏移或條紋可見度的變化。

Klyshko提出了一種基於晶體超晶格的解決方案。當晶體數目增加時，由線性間隙隔開的N個非線性元件可以提供更高的光譜解析度。每個晶體都構成一個參量過程，其中一個高能量（泵浦光）光子可產生一個由低能量信號光子和一個具有量子關聯的空閒光子組成。雖然該觀點已用實驗證明，但也提出了以下必須解決的挑戰。首先，須在多個非線性元件中保持信號光子和空閒光子之間的量子相關性。此外，越來越多的非線性波混頻過程需要更高程度的對準和穩定性，這很難實現。

圖1 基於晶體超晶格的非線性幹涉儀原理圖。a 帶有晶體超晶格的非線性幹涉儀的示意圖。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的泵浦雷射器相干泵浦，產生一對相關信號光子ks（綠色箭頭）和閒散光子ki（紅色箭頭），然後將其重定向到下一個晶體。實驗中，用探測器D測量信號光子的強度。b 具有兩晶體（左）和五晶體（右）的非線性幹涉儀的幹涉條紋的橫截面。

在最近發表的一篇論文中，Paterova和Krivitsky首次通過實驗證實高效的非線性幹涉儀，該幹涉儀由一系列非線性晶體超晶格組成的單相干雷射泵浦構成（圖1a）。與兩晶體相比，五晶體中的魯棒性、穩定性以及高可見度頻率-角譜得到良好控制（圖1b）。

該氣體傳感實驗顯示出更高的靈敏度。與以往報導相比，這個新傳感系統有了一些改進：首先，以前的工作通常涉及兩個非線性元素，而新傳感系統演示了最多五個非線性元素的情況，但並不限於此數量；其次，通過調整晶體尺寸和晶體間的間隙，這種新傳感系統允許靈活地實現替代晶體構型，為開展量子態工程提出了新方法；第三，這種新型結構可以擴展到其他光學平臺，如集成光子電路和光纖平臺；最後，該新傳感系統可應用於多光子區，這將有助於提高可伸縮器件的收集時間和可行性。

總的來說，非線性幹涉儀在傳感、計量、光譜學、成像和量子態工程的高性能器件領域有著誘人的發展前景。

該研究成果以「Nonlinear interferometers with correlated photons: toward spectroscopy and imaging with quantum light」為題，於2020年7月17日發表在Light: Science & Applications。