用于量子光谱学和成像的相关光子非线性干涉仪

首次在五个晶体的级联中证明了基于晶体超晶格的非线性光学干涉仪。由于量子干涉和相关而导致的灵敏度增强使其成为传感、成像和光谱学的一个有前途的工具。

在几百万分子和原子中探测到低至几十个的低浓度粒子是一项令人着迷的研究目标。基于红外（IR）的光学传感器能检测到分子内部运动的微小变化，这些变化构成了传感和识别化学成分的图谱，但由于红外区域光学材料的限制，目前还没有广泛应用。基于非线性晶体、气室、光纤网络和非线性波导的非线性光学过程的干涉测量方法可以部分解决这些局限性。通常，这些方法依赖于检测干涉图样中的细微变化的能力，例如条纹的偏移或条纹可见度的变化。

Klyshko提出了一种基于晶体超晶格的解决方案。当晶体数目增加时，由线性间隙隔开的N个非线性元件可以提供更高的光谱分辨率。每一个晶体都构成一个参量过程，其中一个高能量（泵浦光）光子产生一个由低能量信号光子和一个具有量子关联的空闲光子组成。虽然理论观点解释了实验演示，但它提出了以下必须解决的挑战。首先，必须在多个非线性元件中保持信号光子和空闲光子之间的量子相关性。此外，越来越多的非线性波混频过程需要更高程度的对准和稳定性，这是很难实现的。

图1  基于晶体超晶格的非线性干涉仪原理图。a 带有晶体超晶格的非线性干涉仪的示意图。N  = 2（左）和N  = 5（右）的相同非线性晶体被等间距分开，由具有动量kp的泵浦激光器相干泵浦，产生一对相关信号光子ks（绿色箭头）和闲散光子ki（红色箭头），然后将其重定向到下一个晶体。在实验中，用探测器D测量信号光子的强度。b 具有两个（左）和五个（右）晶体的非线性干涉仪的干涉条纹的横截面。

在最近发表的一篇论文中，Paterova和Krivitsky首次通过实验演示了一种高效的非线性干涉仪，该干涉仪基于由单相干激光泵浦的一系列非线性晶体组成的超晶格构成(图1a)。与两个晶体的情况相比，鲁棒和稳定的对准使干涉模式在五个晶体中的高可见度频率-角谱得到良好控制(图1b)。

通过概念验证的气体传感实验显示出更高的灵敏度。与以前的报道相比，这个新系统有了一些改进。首先，以前的工作通常涉及两个非线性元素，而新的设置演示了最多五个非线性元素的使用，并且不限于此数量。其次，通过调整晶体的尺寸和晶体之间的间隙，这种新的设置允许灵活地实现替代晶体构型，为开展量子态工程提出了新的方法。第三，这种新型结构可以扩展到其他光学平台，如集成光子电路和光纤平台。最后，该装置可应用于多光子区，这将有助于提高可伸缩器件的收集时间和可行性。总的来说，这些能力表明在传感、计量、光谱学、成像和量子态工程的高性能设备领域有着诱人的发展前景。