量子光，低温晶体：PPKTP的优势

即使是最稳定的激光器也并非绝对安静。光以离散光子的形式传播，会引入统计波动，即散粒噪声，从而导致光学测量精度达到标准量子极限。

然而，量子光学提供了一种解决方法。压缩态重新分配了不确定性，将一个属性（相位或振幅）的噪声缩小到散粒噪声本底以下，同时增加另一个属性的噪声。在相位-振幅图上，圆形噪声圆变成了一个细长的椭圆。这种经过设计的低噪声光提高了 LIGO 引力波探测器 [1]、压缩光磁强计 [2] 以及许多其他量子传感和通信应用的灵敏度。

产生压缩光的常用方法是使用简并光参量放大器 (DOPA)。在 DOPA 中，强泵浦激光束与非线性晶体相互作用，该晶体通常放置在光腔内以增强相互作用，并驱动光子对的产生。该过程的相位敏感特性使腔体能够减小一个正交方向上的波动，同时放大另一个正交方向上的波动。这种相互作用的强度由其有效非线性系数表征；该系数越高，通常表示转换过程越高效，在给定晶体长度和泵浦功率的情况下，这可以转化为更强的压缩效应。

晶体选择：工作温度和固有噪声

用于构建DOPA的两种主要非线性材料是周期性极化磷酸钛氧钾 (PPKTP) 和周期性极化铌酸锂 (PPLN)。PPLN的非线性系数高于 PPKTP，这表明它天生就更适合产生强压缩效应。然而，实际操作要求带来了关键的差异。

PPLN 在室温附近暴露于高强度激光时，通常会产生光折变效应。这种效应涉及光诱导晶体内电荷载流子的产生和迁移，从而产生内部电场，导致晶体折射率扭曲，并降低透射激光束的质量。为了减轻光折变效应，基于 PPLN 的器件通常在高温下工作，使得捕获的电荷拥有足够的能量再次移动，从而平衡内部电场并减轻光折变效应。相比之下，基于 PPKTP 的 DOPA 可以在室温附近高效工作，并且不会出现明显的光折变问题。

工作温度的差异对最终的噪声性能有显著的影响。在高温下，原子晶格振动，导致微观声波在晶体中传播。这些声波随机地调制折射率。这种现象被称为导声波布里渊散射 (GAWBS)，它引入了一个与晶体温度直接相关的基本相位噪声源 [3]。

Wan 等人通过直接实验对比，强调了这一关键的权衡 [4]。他们使用相同的 1550 nm DOPA 设置，发现室温 PPKTP 的压缩效应为 6.8 dB（即低于标准量子极限的噪声降低 6.8 dB），而 135°C 时 PPLN 的压缩效应为 4.9 dB。尽管 PPKTP 的非线性系数较低，但其优异的压缩性能直接归因于其在较低工作温度下 GAWBS 引起的相位噪声降低。

图 1 - 实验比较显示，135°C 时 PPLN 由于 GAWBS 的压缩限制在 4.9 dB，而 35°C 时 PPKTP 的压缩达到 6.8 dB [4]

对于最强的相位压缩，消除 GAWBS 比非线性系数的绝对值更重要。事实上，使用 PPKTP 时，1550 nm 处的压缩水平达到 12 dB，1064 nm 处的压缩水平达到 15 dB [5, 6]，突显了其卓越的低噪声特性。

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参考

[1] Aasi, Junaid, Joan Abadie, BP Abbott, Richard Abbott, TD Abbott, MR Abernathy, Carl Adams 等人，“利用压缩光态增强 LIGO 引力波探测器灵敏度。”  《自然光子学》  7, no. 8 (2013): 613-619。

[2] Wolfgramm, Florian, Alessandro Cere, Federica A. Beduini, Ana Predojević, Marco Koschorreck 和 Morgan W. Mitchell. “压缩光光磁测量技术。”  《物理评论快报》  105, 第5期 (2010): 053601。

[3] César、Jônatas Eduardo da Silva、AS Coelho、Katiuscia Nadyne Cassemiro、Alessandro de Sousa Villar、M. Lassen、P. Nussenzveig 和 Marcelo Martinelli。 “非线性光学晶体热波动产生的额外相位噪声。” 物理评论 A——原子、分子和光学物理 79，第 1 期6（2009）：063816。

[4] 万振举、冯金霞、李元吉、张宽寿，“PPKTP 和 PPLN 简并光参量放大器产生的相位正交压缩态比较。”  《光学快报》  2018 年第 26 卷第 5 期，第 5531-5540 页。

[5] Mehmet, Moritz, Stefan Ast, Tobias Eberle, Sebastian Steinlechner, Henning Vahlbruch 和 Roman Schnabel。“1550 nm 压缩光量子噪声降低 12.3 dB。”  《光学快报》  19 卷，第 25 期（2011 年）：25763-25772。

[6] Vahlbruch, Henning, Moritz Mehmet, Karsten Danzmann 和 Roman Schnabel。“15 dB 压缩光态的探测及其在光电量子效率绝对校准中的应用。”  《物理评论快报》  117，第 11 期 (2016)：110801。