公司新闻行业动态激光百科新闻月报图片中心视频中心

带周期性极化的准相位匹配

时间:2025-04-17 来源:新特光电 访问量:1004

产生纯粹的非经典光状态是光量子信息科学最重要的目标之一。自发参量下变频(SPDC)是产生这种状态的一种常用且多用途的光源,它是一种非线性过程,即泵浦光束击中非线性晶体并产生成对的低能量光子。事实上,在过去几十年中,SPDC 已被广泛用于产生预示单光子和纠缠光子对,并被用于量子通信和量子计量等应用。

PPKTP_SCHEME.jpg

如图 1a 所示,要使 SPDC 过程有效,能量和动量都必须保持不变。在没有色度色散的理想情况下,相位匹配的作用微乎其微,因为频率和波矢量仅仅是光速因子的关系。然而,实际光学材料会出现色度色散现象,即折射率随波长而变化,从而导致波向量不匹配 Δk_z。

克服波矢失配的一种方法是利用不同极化的相位累积差异,这种方法被称为双折射相位匹配 。在这一技术中,泵浦光子和生成光子的偏振选择要使这一效应能够补偿色度色散。

早在 1962 年就有人提出了第二种流行的技术,即准相位匹配技术。这种技术通过将晶体分割成多个畴来解决失配问题,其中交替的畴具有符号相反的非线性系数(图 1b)。这种技术可以通过相位图来理解(图 1c)。波矢量失配会导致不同的相位累积,在有限的传播距离之后,它们将开始产生破坏性干扰。通过准相位匹配,可以选择域周期Λ,这样当过程到达破坏性干涉区域时,相位的符号就会翻转,从而使过程继续建设性地发展。

Quasi-phase-mathcing.jpg

图 1. (a) 要使 SPDC 过程有效,能量和动量必须保持不变。(b) 非线性的周期性极化可以补偿波矢失配。(c) 有相位匹配和无相位匹配时过程累积的相位图。

有趣的是,直到 20 世纪 80 年代中期,这种技术才在实验中广泛应用[4],使用周期性轮询。这是因为创建这种畴具有挑战性,通常需要使用铁电畴工程[5]。这包括通过晶体表面的图案化电极向铁电晶体施加强电场。这种强电场会改变电极下的晶体取向,从而扭转其非线性系数的符号。对大孔径晶体和小极化周期进行周期极化尤其具有挑战性。

准相位匹配的优点是可以使用非线性系数更强的材料,避免空间偏移,并且不增加对不同场极化的要求。另一个优点是,通过调整极化周期,可以控制不同的 SPDC 参数。

使用不同的极化周期可以决定发生的是 0 型还是 II 型过程。0 型过程,即泵浦和产生的两个光子具有相同的偏振,由于其对生成率高,可能是理想的过程。不过,它对温度变化相对敏感,而且带宽较大。在 II 型过程中,产生的两个光子具有正交偏振,光谱较窄,但过程往往较弱。

在选择晶体结构之前,了解具体应用和所需的优越性是非常重要的。例如,重要的衡量标准是总通量吗?还是每纳米波长的总通量?空间纠缠是所需的特征还是需要避免的?根据具体应用,不同的泵浦光束配置、晶体尺寸、温度和极化周期可能是最合适的。

您可能感兴趣的文章