對應于銫原子D1 線連續可調諧正交壓縮態光場的制備*

張巖 蔚娟 楊鵬飛 張俊香

1) (西安工業大學光電工程學院，西安 710021)

2) (浙江大學物理系光學研究所，杭州 310007)

銫原子D1 線的非經典光由于其波長接近于量子點的獨特優勢，在固態量子信息網絡的發展中有著重要的應用前景.在之前的工作中，利用兩鏡連續簡并光學參量振蕩器中的參量下轉換過程，制備出2.8 dB 正交壓縮真空態光場.然而，所產生光場的壓縮度較低，對于對壓縮光具有實用意義的可調諧性能也未做進一步探究.理論分析表明，光學參量振蕩器后腔鏡對信號光透射率的增加及內腔損耗的減小可以提高壓縮度.因此，本文在該研究基礎上，通過使用高光潔度腔鏡及優化腔鏡鍍膜參數等方式對光學參量振蕩器進行改良，降低了光學參量腔閾值，獲得壓縮度為3.3 dB 的單模正交壓縮真空光.當光學參量腔運轉為參量反放大狀態時，在系統穩定運行的情況下，制備的明亮壓縮態光場能夠連續調諧80 MHz，為其在量子信息網絡中的應用奠定了良好的基礎.

1 引言

量子信息網絡具有高效性和高安全性等優勢[1-5]，近年來受到人們的廣泛關注.堿金屬原子及對應吸收線的非經典光場是量子信息網絡中實現量子信息界面與傳輸的重要資源之一，理論上可以利用堿金屬原子來存儲和處理量子信息，用非經典光場的量子遠程傳態建立起量子通道，實現量子信息的高效傳遞.為此，需要非經典光場的波長具備一定的可調諧性來精確匹配原子吸收線;而非經典光場的壓縮度決定了量子信息網絡的性能[6]，需要進一步降低光場噪聲，以提高信息傳輸的保真度.因此，有必要制備對應于堿金屬原子吸收線的可調諧高壓縮度非經典光場.

近些年，隨著低損耗鍍膜技術、非線性晶體生長技術及高效探測技術的發展，使得利用光學參量振蕩器(optical parametric oscillator，OPO) 中的參量下轉換過程成為制備高壓縮度非經典光的最有效方法之一[7，8].2010 年，德國Schnabel 小組[9]利用周期極化磷酸氧鈦鉀(periodically poled KTP，PPKTP)晶體中的參量下轉換過程得到壓縮真空態光場，經過Sagnac 干涉儀進行壓縮增強后測得12.7 dB 壓縮;次年，該小組利用一個半整體OPO制備了12.3 dB 的 1550 nm 壓縮真空態光場[10].2016 年，李強等[11]利用單個非簡并光學參量放大器制備了純度為0.993 的雙模壓縮態.楊文海等[12]于2017 年利用光學參量放大器(optical parametric amplifier，OPA) 獲得了12.6 dB 的明亮壓縮態光場.2019 年，Sun 等[13]利用OPO 獲得了13.8 dB壓縮真空態光場.目前實驗中觀測到的最高壓縮度由Schnabel 小組[14]保持，他們利用一個由PPKTP 晶體構建的半整塊OPO 獲得1064 nm壓縮真空光，將壓縮真空光注入定制的高量子效率(99.5%) 光電探測器中，測得15 dB 壓縮.然而，以上制備的高壓縮度非經典光場的工作波長都遠離堿金屬原子吸收線.

目前，實驗中利用OPO 制備堿金屬原子吸收線非經典光的研究主要聚焦在銣原子D1線及銫原子D2線.在波長對應于銣原子D1線的795 nm處，日本Tanimura 等[15]于2006 年獲得2.75 dB壓縮光.澳大利亞國立大學Hétet 等[16]于2007 年制備約5 dB 壓縮真空.西班牙Predojevi? 等[17]以半導體激光器作為光源，通過OPO 獲得2.5 dB壓縮光.2016 年，山西大學韓亞帥等[6]在795 nm處測得5.6 dB 壓縮.在波長對應于銫原子D2線的852 nm 附近，Furusawa 小組[18，19]分別于2006年和2007 年在860 nm 處測得7 dB 和9 dB 壓縮.法國Burks 等[20]在50 kHz 低頻處測得大于50%壓縮.相對于銣原子D1線和銫原子D2線，銫原子D1線由于其獨特優勢[21]，有力保障了基于原子與固態系統相干界面的發展.然而，在這一波段開展正交壓縮態光場制備的相關研究工作卻鮮見報道.

目前僅有張俊香研究小組[22]于2017 年進行了利用光學參量下轉換過程制備銫原子D1線非經典光的相關研究:光源為一臺波長鎖定于銫原子D1線的連續單頻鈦寶石激光器，輸出的激光通過兩鏡倍頻腔(second harmonic generation cavity，SHG) 后產生447.3 nm 藍光，將藍光注入由PPKTP晶體構建的兩鏡連續簡并OPO 中進行參量下轉換，獲得了壓縮度為2.8 dB 的單模正交壓縮真空光.之后又利用半整體結構OPO 將壓縮度提高至4.1 dB，并將壓縮光連續調諧了50 MHz[23].通過理論分析發現，增大光學參量振蕩器后腔鏡對信號光透射率及減小內腔損耗，可以有效提高壓縮度[19].本文在利用兩鏡OPO 制備壓縮光的基礎上，對所用腔鏡進行了改進:選用高光潔度鏡片作為OPO腔鏡以減小散射損耗，提高了輸出耦合鏡對信號光的透射率以增加OPO 逸出效率，從而提高非經典光壓縮度;同時將OPO 設計為雙共振，以保證較小的閾值抽運功率[24]，更適合于實際應用.實驗中測得OPO 閾值為28 mW，在抽運光功率為15 mW時，測得3.3 dB 的正交壓縮真空.雖然壓縮度提高不多，但將壓縮光的連續可調諧范圍提升至80 MHz，為其在量子信息網絡中的應用奠定了基礎.

2 制備連續可調諧正交壓縮態光場的實驗裝置及實驗結果

2.1 實驗裝置

圖1 為制備連續可調諧正交壓縮態光場的實驗裝置示意圖，主要由以下4 部分構成:鈦寶石激光器、SHG、OPO 和平衡零拍探測裝置(homodyne detection).鈦寶石激光器(Coherent，MBR110)輸出波長對應于銫原子D1線的894.6 nm 紅外光，經過單模光纖進行空間模式清潔后功率為600 mW，分為三路分別注入SHG、OPO 和平衡零拍探測器中.輸入SHG(具體參數見文獻[25]) 紅外光功率為120 mW，通過倍頻過程產生的447.3 nm 藍光經過光學隔離器后功率為32 mW.

圖1 實驗裝置圖Fig.1.Experimental setup.

OPO 為近共心兩鏡駐波腔結構，由之前的基頻光單共振改為基頻光和抽運光雙共振，采用高光潔度腔鏡(表面質量為10-5) 以減少散射損耗.前腔鏡曲率半徑為50 mm，對894.6 nm 光高反，對447.3 nm 光透射率為10%;后腔鏡曲率半徑為50 mm，對894.6 nm 光透射率由之前的5%[22]提高為9.5%，對447.3 nm 光高反，腔長為102 mm.OPO 采用一塊長度為10 mm 的一類PPKTP 晶體作為非線性介質，晶體溫度由溫度控制儀及帕爾貼元件精確控制.將輔助信號光注入OPO，利用Pound-Drever-Hall 穩頻技術[26]鎖定腔長，OPO 輸出的明亮信號光用于后續光路及平衡零拍探測的調節.

平衡零拍探測裝置由1 個50/50 分束鏡、集成了2 個獨立光的電探頭和1 個電子信號減法器的平衡零拍探測器(Thorlabs，PDB210 A) 組成.將壓縮態光場與相干本底光在50/50 分束器上進行干涉耦合，分束器的2 束出射光分別注入平衡零拍探測器的2 個探頭，利用電子信號減法器將2 個探頭測得電流相減后輸入譜儀來觀測壓縮光的噪聲起伏.本底光與壓縮光的干涉效率決定了觀測到的壓縮度，仔細調節2 束光在50/50 分束器的耦合，獲得95% 的干涉效率.

2.2 實驗結果及分析

實驗測得OPO 閾值為28 mW，比之前工作中搭建的OPO[22]閾值降低了11 mW.在沒有抽運光注入時，OPO 精細度為62.6，可以推算出其內腔損耗為0.53%.當注入15 mW 抽運光，晶體溫度為37.6 ℃ 時，輔助信號光的增益為6.4 倍.將譜儀的分析頻率、分辨率帶寬和視頻帶寬分別設置為1 MHz，30 kHz，100 Hz.根據以上實驗參數，我們可利用(1) 式在理論上計算出平衡零拍探測裝置測得正交壓縮度[19]:

式中:η為平衡零拍探測器的量子效率(86%);ξ1為壓縮光與本底光的干涉耦合效率(95%);ζ為光路傳輸效率(96%);ρT/(T+L) 為OPO 逸出效率，T為OPO 后腔鏡對信號光透射率，L代表內腔損耗;σ為歸一化抽運光功率，Pp和Pth分別為注入抽運光功率和OPO 閾值;Ωf/γ為歸一化頻率，f為譜儀分析頻率，γc(T+L)/(2l) 為OPO衰減速率，l為腔長.從(1) 式可以看出壓縮度會隨著后腔鏡對信號光透射率增加及內腔損耗的減小而變大，因此，實驗中所選透射率為10% 的高光潔度腔鏡相比于之前工作中使用的5% 透射率普通腔鏡，在理論上可以提高壓縮度.將實驗參數代入(1) 式中，計算出可觀測到壓縮度為5.1 dB.但是由于447.3 nm 抽運光注入后，晶體對抽運光的吸收會導致內腔損耗增大，因此實際觀測到的壓縮度會低于理論值.

在實驗中測量壓縮真空時，擋住注入OPO 的信號光，利用壓電陶瓷(piezo-electric transducer，PZT) 搜索腔長使抽運光在OPO 中共振，通過晶體中的參量下轉換過程產生頻率和偏振都簡并的兩束壓縮真空態光場.掃描本底光與壓縮態光場的相對相位，在譜儀上觀測到噪聲曲線如圖2 所示，測得低于散粒噪聲基準(shot noise level，SNL)3.3 dB 的壓縮真空.根據(1)式可以反推出，在注入抽運光后，OPO 的內腔損耗增加到3.4%.實驗中平衡零拍探測的總探測效率ηdetηξ12ζ，OPO輸出光場的實際壓縮度Vsq與測量值Vsq，det有以下關系[27]:

圖2 抽運光功率為15 mW 時測得壓縮真空的噪聲曲線Fig.2.Observed quantum noise for vacuum squeezed light at the pump power of 15 mW.

總探測效率ηdet為74.5%，根據(2) 式，則Vsq為5.5 dB.

在量子信息網絡的建設中，需要非經典光具有一定的可調諧性以精確匹配相應原子吸收線，因此在實驗中對壓縮光進行了調諧:注入信號光，將OPO 運轉為OPA，并鎖定腔長及抽運光與信號光相對相位，使OPA 運轉在參量反放大狀態，此時輸出正交振幅壓縮態光場.將鈦寶石激光器的波長調至銫原子D1吸收線的F4(62S1/2)→F′3(62P1/2)超精細躍遷能級附近，利用一個5 Hz 低頻三角波信號對激光器進行掃描，實現對抽運光、信號光及壓縮光頻率的調諧，并利用飽和吸收譜監視調諧范圍.逐漸增大掃描三角波的信號幅度，在整個實驗系統不失鎖的情況下，激光器輸出基頻紅外光的頻率變化范圍即為壓縮光的可調諧范圍.此時，通過搜索PZT2 來測量壓縮光的正交振幅分量，實驗結果如圖3 所示.其中，圖3(a) 為掃描鈦寶石激光器時本底光的飽和吸收譜(saturation absorption spectroscopy，SAS) 和OPA 的鎖定信號.可以看出，在連續調諧80 MHz 時，整個系統仍穩定運轉，此時測得明亮壓縮光的噪聲譜如圖3(b)所示，獲得約2.4 dB 正交振幅壓縮.

圖3 (a) 明亮壓縮光的可調諧性測量;(b) 調諧80 MHz時測得壓縮Fig.3.(a) Continuously tunability of bright squeezed light when the laser is scanned.(b) squeezing trace when the laser is scanned 80 MHz.

3 結論

通過增加后腔鏡對信號光的透射率以及減小內腔損耗，提升了利用OPO 制備波長對應于銫原子D1線非經典光的壓縮度.改良后OPO 閾值為28 mW，在注入15 mW 抽運光后，利用平衡零拍探測裝置測得3.3 dB 壓縮真空，通過計算得出光場的實際壓縮度為5.5 dB.注入信號光將OPO 運轉為OPA，測量了輸出明亮壓縮光的可調諧性.當激光器連續調諧80 MHz 時系統運轉穩定且壓縮度保持不變，為其后續在實際中的應用提供了保障.