基于諧波輔助實現光學相位放大的基本原理

中國科學技術大學郭光燦院士團隊實現了一種基于諧波輔助的光學相位放大測量技術。該團隊史保森教授、周志遠副教授等人提出了一種基于諧波輔助實現光學相位放大的基本原理，并且利用級聯三波混頻過程初步實現了干涉儀中相對相位的4倍放大。

干涉是一種基本的光學現象，在近代物理的發展過程中發揮著舉足輕重輕重的作用。無論是“以太”的驗證、量子力學的構建以及引力波的探測都離不開干涉原理和技術。相位是波動光學和量子光學中一個非常重要的參數，干涉儀中光程差變化與相對相位變化一一對應。在光學精密測量中，幾乎所有物理量（如位置、角度、電磁場等）的測量都可以轉化為對干涉儀中相對位相變化（或者光程差變化）的測量，因此如何精確測量干涉儀的相位變化是光學科學工作者孜孜以求的目標。

一個樸素的想法是通過干涉儀中相對相位放大來提升相位測量分辨率。在量子光學中，通過在干涉儀中注入多光子NOON態（粒子數與路徑糾纏態）可以實現相對相位的N倍放大，然而多光子NOON態非常難制備（目前最大的N在10左右），并且隨著光子數的增加測量累積時間指數上升，無法實時測量。因此，尋找新的光學相位放大原理是一個非常重要的科學問題。

史保森教授、周志遠副教授研究組長期從事基于非線性效應的光學干涉現象研究。 在2014年，研究組在軌道角動量疊加態的非線性倍頻研究中發現不僅軌道角動量拓撲荷加倍，而且輸入軌道角動量疊加態的相對相位也會加倍［Opt. Express 22， 20298（2014）］。受此工作的啟發，針對以下問題開展研究：在非線性過程中是否可以實現基于其它自由度干涉的相位加倍？這種加倍過程是否可以進行級聯？研究結果對這兩個問題的回答是肯定的。以三波混頻中的倍頻為例，在微觀過程中，湮滅兩個基頻光子會產生一個倍頻光子，基頻光子所攜帶的相位信息被相干地傳遞到倍頻光子中，因而導致了相位的加倍放大。將該過程進行級聯和循環，原則上可以實現任意整數倍的相位放大。

基于上述原理，實驗上將1560nm的脈沖激光輸入一個偏振干涉儀，兩個偏振模式的相位通過一個壓電陶瓷控制，其輸出端經過了兩次偏振無關的倍頻過程：第一次1560nm到780nm偏振無關的倍頻通過在Sagnac干涉儀中放置一塊PPKTP晶體實現，第二次780nm到390nm偏振無關倍頻則通過兩塊正交的BBO晶體實現。通過在壓電陶瓷上加載相同的驅動電壓信號，我們觀測到780nm和390nm光的干涉周期分別為1560nm光干涉的2倍和4倍，驗證了我們提出的相位放大原理的可行性（如圖1所示）。為了證明該放大原理不依賴于觀測光的波長，團隊設計了倍頻與差頻的級聯過程（如圖2所示），實驗觀測到在相同的激光波長下干涉曲線同樣具有加倍的現象，這就為后續通過循環過程實現更高倍數的相位放大奠定基礎。

圖1.級聯四倍放大實驗原理圖。（a）相位放大實驗裝置，（b）相位放大實驗結果，a-c分別對應基頻光、二次諧波和四次諧波的干涉測量結果。

圖2.頻率無關的相位放大實驗原理圖。（a）頻率無關的相位放大實驗裝置，（b）實驗結果，紅色曲線為干涉儀直接出射的基頻光干涉結果，藍色曲線為經過相位放大但光學頻率沒有改變的干涉結果。

該工作揭示了一種新型的光學相位放大機理并且在實驗上得到了初步驗證。下一步可利用強度更高的激光以及利用級聯和循環結構實現更高放大倍數的演示，與此同時還將探索基于該放大原理在光學精密測量中的相關應用。該工作的共同第一作者是博士生李武振和已畢業的楊琛博士，共同通信作者是周志遠副教授和史保森教授。