一种基于谐波辅助的光学相位放大测量

中国科学技术大学郭光灿院士团队实现了一种基于谐波辅助的光学相位放大测量技术。该团队史保森教授、周志远副教授等人提出了一种基于谐波辅助实现光学相位放大的基本原理，并且利用级联三波混频过程初步实现了干涉仪中相对相位的4倍放大。相关研究成果以“Harmonics-assisted optical phase amplifier”为题于2022年10月27日在线发表在著名期刊《光科学与应用》上[Light: Sci. & Appl. 11, 312 (2022)]。

干涉是一种基本的光学现象，在近代物理的发展过程中发挥着举足轻重轻重的作用。无论是“以太”的验证、量子力学的构建以及引力波的探测都离不开干涉原理和技术。相位是波动光学和量子光学中一个非常重要的参数，干涉仪中光程差变化与相对相位变化一一对应。在光学精密测量中，几乎所有物理量（如位置、角度、电磁场等）的测量都可以转化为对干涉仪中相对位相变化（或者光程差变化）的测量，因此如何精确测量干涉仪的相位变化是光学科学工作者孜孜以求的目标。一个朴素的想法是通过干涉仪中相对相位放大来提升相位测量分辨率。在量子光学中，通过在干涉仪中注入多光子NOON态（粒子数与路径纠缠态）可以实现相对相位的N倍放大，然而多光子NOON态非常难制备（目前最大的N在10左右），并且随着光子数的增加测量累积时间指数上升，无法实时测量。因此，寻找新的光学相位放大原理是一个非常重要的科学问题。

史保森教授、周志远副教授研究组长期从事基于非线性效应的光学干涉现象研究。 在2014年，研究组在轨道角动量叠加态的非线性倍频研究中发现不仅轨道角动量拓扑荷加倍，而且输入轨道角动量叠加态的相对相位也会加倍[Opt. Express 22, 20298(2014)]。受此工作的启发，针对以下问题开展研究：在非线性过程中是否可以实现基于其它自由度干涉的相位加倍？这种加倍过程是否可以进行级联？研究结果对这两个问题的回答是肯定的。以三波混频中的倍频为例，在微观过程中，湮灭两个基频光子会产生一个倍频光子，基频光子所携带的相位信息被相干地传递到倍频光子中，因而导致了相位的加倍放大。将该过程进行级联和循环，原则上可以实现任意整数倍的相位放大。

基于上述原理，实验上将1560nm的脉冲激光输入一个偏振干涉仪，两个偏振模式的相位通过一个压电陶瓷控制，其输出端经过了两次偏振无关的倍频过程：第一次1560nm到780nm偏振无关的倍频通过在Sagnac干涉仪中放置一块PPKTP晶体实现，第二次780nm到390nm偏振无关倍频则通过两块正交的BBO晶体实现。通过在压电陶瓷上加载相同的驱动电压信号，我们观测到780nm和390nm光的干涉周期分别为1560nm光干涉的2倍和4倍，验证了我们提出的相位放大原理的可行性（如图1所示）。为了证明该放大原理不依赖于观测光的波长，团队设计了倍频与差频的级联过程（如图2所示），实验观测到在相同的激光波长下干涉曲线同样具有加倍的现象，这就为后续通过循环过程实现更高倍数的相位放大奠定基础。

图1.级联四倍放大实验原理图。(a)相位放大实验装置，(b)相位放大实验结果，a-c分别对应基频光、二次谐波和四次谐波的干涉测量结果。

图2.频率无关的相位放大实验原理图。(a)频率无关的相位放大实验装置，(b)实验结果，红色曲线为干涉仪直接出射的基频光干涉结果，蓝色曲线为经过相位放大但光学频率没有改变的干涉结果。

该工作揭示了一种新型的光学相位放大机理并且在实验上得到了初步验证。下一步可利用强度更高的激光以及利用级联和循环结构实现更高放大倍数的演示，与此同时还将探索基于该放大原理在光学精密测量中的相关应用。该工作的共同第一作者是博士生李武振和已毕业的杨琛博士，共同通信作者是周志远副教授和史保森教授。

这项工作得到国家基金委、科技部以及中国科学技术大学的支持。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41377-022-01003-3