基于周期极化晶体MgO_P...的纠缠光子对制备过程的研究_吴杰.pdf

文章编号：1002-2082(2023)01-0182-06基于周期极化晶体 MgO:PPLN 的纠缠光子对制备过程的研究吴杰，王海龙，张雄，陈君，王兆坤，龚华平，赵春柳（中国计量大学光学与电子科技学院，浙江杭州310018）摘摘 要：要：基于二阶非线性效应的自发参量转换技术制备纠缠光子对过程中，以掺 5mol%MgO:PPLN周期极化晶体为研究对象，将光参量变换过程中的动量守恒和能量守恒条件与该晶体的色散方程，以及晶体极化周期随温度变化的热膨胀方程相联系，得到了 355nm、405nm、532nm、780nm和 1064nm 这 5 个实验室常用波长点在制备纠缠光子对时的周期调谐特性和温度调谐特性。研究过程中发现，出现了晶体极化周期过小和产生两对纠缠光子对问题，总结并归纳了各波长点在一定极化周期和温度下与非线性晶体作用所产生的纠缠光波段范围。当选用其他非线性周期极化晶体进行实验时，改变 QPM 动量守恒条件中的极化周期项，同时根据具体使用的晶体改变色散方程。该研究方案可直接推广到使用不同非线性晶体产生通信光波段或红外光波段的纠缠光子对研究中，在制备量子光源等领域具有重要研究价值。关键词：关键词：非线性光学；纠缠光子对；周期极化晶体 MgO:PPLN；量子光源；调谐中图分类号：TN201;O437文献标志码：ADOI：10.5768/JAO202344.0105001Study on preparation process of entangled photon pairs based onperiodically polarized crystal MgO:PPLNWUJie，WANGHailong，ZHANGXiong，CHENJun，WANGZhaokun，GONGHuaping，ZHAOChunliu（CollegeofOpticalandElectronicTechnology,ChinaJiliangUniversity,Hangzhou310018,China）Abstract：Intheprocessofpreparingentangledphotonpairsbyspontaneousparametricconversiontechnologybasedonsecond-ordernonlineareffects,theperiodicallypolarizedcrystalsdopedwith5mol%MgO:PPLNwerestudied.Bylinkingthemomentumconservationandenergyconservationconditionsintheprocessofoptical parametric transformation with the dispersion equation of the crystal and the thermal expansionequation of the crystal polarization period with temperature,the period-tuning and temperature-tuningpropertiesofentangledphotonpairswereobtainedatthefivecommonlyusedwavelengthpointsof355nm,405nm,532nm,780nmand1064nm.Itwasfoundthatthecrystalpolarizationperiodwastoosmallandtwopairsofentangledphotonpairsweregeneratedduringtheresearchprocess,andtheentangledlightbandrangegeneratedbytheinteractionofeachwavelengthpointwithnonlinearcrystalsunderacertainpolarizationperiodandtemperaturewassummarized.Whenothernonlinearperiodicalpolarizedcrystalswereselectedforexperiments,thepolarizedperiodictermintheQPMmomentumconservationconditionwaschanged,andthedispersionequationwaschangedaccordingtothespecificcrystalused.Thisresearchschemecanbedirectlyextended to the research of using different nonlinear crystals to generate entangled photon pairs in thecommunicationopticalbandorinfraredopticalband,andhasimportantresearchvalueinthefieldofpreparing收稿日期：2022-04-22；修回日期：2022-05-26基金项目：国家重点研发计划（2020YFF0217801）；浙江省自然科学基金（LY22A040007）作者简介：吴杰（1999），男，硕士研究生，主要从事量子测量和计量方面的研究。Email：通信作者：赵春柳（1973），女，博士，教授，主要从事光纤传感方面的研究。Email：第44卷第1期应用光学Vol.44No.12023年1月JournalofAppliedOpticsJan.2023quantumlightsources.Key words：nonlinearoptics；entangledphotonpairs；periodicallypolarizedcrystalMgO:PPLN；quantumlightsources；tuning引言近年来，在量子通信、量子传感等领域蓬勃发展过程中，品质良好的量子光源作为核心部件得到了更多关注。在量子光源的多种应用领域中，纠缠光子对的制备是必不可少的前提，因此对其进行研究就变得尤为重要。基于二阶非线性效应的自发参量下转换（spontaneousparametricdown-conversion，SPDC）技术是产生纠缠光子对的有效方法之一，这种方法产生的纠缠光子对具有纠缠纯度高、检测方便、相干性距离保持长等特点，是当前量子光学研宄中最为普遍的方法1。SPDC 常用的相位匹配技术主要有传统的双折射相位匹配技术和准相位匹配（quasi-phase-matching，QPM）技术，由于 QPM 技术具有线性转换效率高，调谐方式方便简单，理论上在非线性晶体的整个透光范围内都可以实现动量守恒等优点2，为进一步提高纠缠光子对纯度，产生更稳定的非经典光场提供了可行的方法。QPM 技术产生非经典光场，通常是对量子光学结构中的周期极化非线性晶体进行周期性调制，改变介质的极化方向，此时入射光场在晶体中发生的非线性作用就决定了出射光场的量子特性3。在产生非经典光场实验中，常见的非线性晶体包括周期极化 LiNbO3（PPLN）、周期极化 KTiOPO4（PPKTP）和周期极化 LiTaO3（PPLT）等。其中，PPLN 晶体因其非线性系数最大、透光范围较宽、制备简单且市场价格较低，被大量应用在红外波段光参量变换过程中4-12，成为目前 QPM技术中应用最为广泛的非线性晶体。然而同组分LiNbO3在低于 150 的温度下容易受到光折变损伤，且制作时所需的极化电压过高，不易获得大尺寸晶体，矫顽电场强度也与击穿电压很接近，制作过程中容易操作失误，破坏晶体结构。为了解决这些缺点,研究人员开始尝试往 LiNbO3晶体中掺入 MgO。仲跻国等人13在 1980 年证实，高掺杂MgO（4.6%）的 PPLN、晶体的抗光损伤能力约为未掺杂时的 100 倍，在常温下就能够实现光学频率的转换。掺 5molMgO:PPLN 晶体矫顽场约为 4.8KV/mm，可防止因为温度过低产生的光折变对结构造成破坏，可平稳运行在室温环境下。目前，掺molMgO:PPLN 晶体已成为 QPM 技术应用中最为重要的非线性材料14-16。本文深入分析 QPM 过程中相互联系的的动量守恒与能量守恒条件，根据掺molMgO:PPLN晶体的折射率随波长、温度变化的 Sellmeier 方程以及极化周期随温度的热膨胀关系，详细研究了几种典型波段泵浦激光泵浦条件下，产生纠缠光子对过程中周期调谐特性及温度调谐特性，产生的纠缠光子对可以覆盖光通信及中红外波段。1 SPDC 过程守恒条件psiSPDC 的具体过程为，一束频率为的泵浦光入射到非线性介质上，通过 QPM 技术产生两束频率分别为和的信号光和闲置光，整个过程中满足能量和动量守恒，即：p=s+i（1）kp=ks+ki（2）kpkskis=is i式中：、分别为泵浦光、信号光和闲置光的波矢。当时，（1）式为简并 SPDC，是经典二次谐波（倍频）的逆过程。当时，（1）式为非简并 SPDC，是参量上转换的逆过程17。在 QPM 过程中，泵浦光、信号光和闲置光也需满足上述守恒条件，且为提高 QPM 过程发生的概率并补偿位相失配，还需考虑倒格矢匹配。倒格矢匹配公式为km=2 m（3）式中 m 为准相位匹配阶数。当准相位匹配阶数为 1，相位失配量为 0 时，则有18：1p=1s+1i（4）nppnssnii=1(T)（5）psinpnsni(T)式中：、分别为抽运光、信号光、闲置光的波长；、分别为泵浦光、信号光、闲置光的折射率；为晶体的极化周期，单位为 m。2 非线性周期极化晶体参数由于掺 5molMgO:PPLN 晶体的性能在众多周期极化晶体中均表现不俗，本文以其为研究对象进行分析。在实验中，研究人员为了提高 SPDC应用光学2023，44（1）吴杰，等：基于周期极化晶体 MgO:PPLN 的纠缠光子对制备过程的研究183e e+ed33的转换效率，通常选择的匹配方式和 PPLN最大的二阶非线性极化张量。该晶体的 Sellmeier色散方程为19n2e=a1+b1f(T)+a2+b2f(T)2a3+b3f(T)2+a4+b4f(T)2a25a62（6）f(T)=(T 24.5)(T+570.82)T式中：；为晶体温度，单位为；为光波波长，单位为 m。式中各相关参量值如表 1 所示。表 1 掺 5 molMgO:PPLN 晶体的色散方程参数Table 1 Parameters of Sellmeier dispersion equation forMgO:PPLN crystals doped with 5 mol%参数a1a2a3a4a5值5.7560.09830.202189.3212.52参数a6b1b2b3b4值1.321022.861064.71086.1131081.516104根据（6）式可绘制出在不同温度下，PPLN 晶体折射率随入射光波长的变化曲线，如图 1 所示。从图 1 中可以看出，在不同温度下 PPLN 晶体折射率随入射光波长的变化是相同的，即随着波长增大，晶体折射率降低；在入射光波长相同的情况下，温度高的晶体折射率大于温度低的晶体；在0.5m1m 范围内，改变入射光波长，晶体折射率变化更为明显。0.51.01.52.02.53.0Wavelength/m2.052.102.152.202.252.30Refractive indexT=25 T=50 T=100 T=150 图 1 PPLN 折射率与波长的色散曲线Fig.1 Dispersion curves of refractive index and wavelengthof PPLNT(T)泵浦光的波长、温度 和晶体的周期皆为可变的参量。在一定条件下，改变其中一个变量，就可以实现两束参量光的改变；当