超快非线性光学技术之七十四量子增强双光梳

2025-08-08 15:01

光学频率梳在宽带、高分辨率光谱学和精密测量中的优势，推动了生物化学传感、量子体系的高精度测量等诸多领域的发展。目前，光学频率梳的测量精度达到了量子噪声极限，结合量子压缩技术有望进一步提高测量精度。压缩光频梳已被应用到连续波激光测量中，效果显著，然而，压缩光频梳在光谱学的计量优势仍未被验证。

近日，美国科罗拉多大学Scott A. Diddams课题组通过量子压缩增强技术，显著提高了光学频率梳在光谱学中的测量精度，突破了传统散粒噪声极限，且证明仅压缩一个光频梳即可体现出优势。利用非线性光纤中的克尔效应，该研究团队实现了梳齿间隔为1 GHz频率梳的幅度压缩，压缩度超过3 dB，覆盖2.5 THz的带宽，同时产生了硫化氢气体的模式分辨光谱，信噪比接近3 dB，超过了散粒噪声极限。量子噪声的降低使气体浓度测定的量子速度提升了两倍。该研究为未来在宽带频率梳计量学和光谱学中实现更大的量子优势提供了理论和实验基础[1]。

图1. 双光梳干涉测量的时域量子测量图像[1]

双光学频率梳（DCS）探测分子时，分子吸收表现为射频梳光谱的凹陷和干涉图后的自由感应衰减（free induction decay）信号。通过降低技术噪声源，如探测器噪声、热噪声等，相干态的散粒噪声是测量光梳模式幅度的主要不确定性因素。DCS时域干涉测量可分为零光程差区域和大光程差区域。如图1所示，零光程差区：来自两个光频梳的光脉冲在时间上重叠，测量具有模式匹配的特点，包含OFC光谱包络信息，类似两个相干态在分束器上干涉产生的“类正交”的测量。大光程差区：两个脉冲序列在时间上分离，FID噪声由散粒噪声主导，类似相干态与真空态在分束器上干涉，呈现“类强度”测量特性。在吸收深度和损耗较小的情况下，使用一个振幅压缩光梳就可以降低大光程差区的散粒噪声。

图2. 双光梳装置图及单光梳压缩概念及结果[1]

量子压缩双光梳（图2（A））由两台重复频率1 GHz 、中心波长1563 nm 的飞秒激光产生，它们被锁相至同一光学参考以确保互相干性。其中一束光频梳被压缩至 260 fs，并按 10:1 的功率比分成强脉冲和弱辅助脉冲，耦合到非线性光纤的正交偏振轴上。强脉冲因克尔效应产生与强度相关的相移，产生明亮的振幅压缩态。在相空间中，这将相干态的不确定性转变为月牙形的压缩噪声分布（图2（C））。由于克尔效应满足光子数守恒，通过将强压缩态脉冲和弱辅助相干态脉冲（施加了可调相移）在 100:1 功率比的可变分束器上重新组合，对克尔态进行轻微位移，使得压缩角发生偏移，从而在强度测量中可观测到量子噪声降低或量子噪声放大。实验测得在 45 MHz 附近高达 3.8 dB 的压缩和 4.0 dB 的反压缩，在 10 MHz - 100 MHz 的较宽频带内实现大于 3 dB 的压缩，证明了宽带强光压缩在 DCS 中的应用潜力。

图3. 双光梳时域数据图[1]

实验采用共线的量子增强双光梳产生了幅度压缩光频梳（~15 mW）和弱相干态光频梳（~10 mW）之间的干涉图。即使功率不平衡，双梳光谱数据的品质因数仍与当前最先进水平相当（> ）。时域干涉结果如图3所示，除了180°的相位差，两个压缩态产生的干涉图大致匹配，且压缩态（SQZ）的量子噪声相比散粒噪声极限降低了约 55%（2.6 dB），考虑高速数字化仪电噪声底后，压缩水平为 3.5 dB，证实了单光梳压缩在双梳光谱中的有效性。

该研究团队还通过该量子增强双光梳系统探测了硫化氢（HS）气体的梳状模式分辨光谱（图4所示），在20 nm的覆盖带宽内有67个HS的振动-跃迁谱线，压缩态残差标准差降低2.9 dB，浓度测定不确定性减小，实现约2倍量子加速，分辨率极限约50 MHz，满足多种应用需求。