研究者首次在五晶體的級(jí)聯(lián)中證明了基于晶體超晶格的非線性光學(xué)干涉儀。量子干涉引發(fā)的靈敏度增強(qiáng)使其成為傳感、成像和光譜學(xué)的有前途的工具。

在幾百萬分子和原子中探測(cè)到低至幾十個(gè)的低濃度粒子是一項(xiàng)令人著迷的研究目標(biāo)。基于紅外的光學(xué)傳感器能檢測(cè)到分子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的微小變化，這些變化構(gòu)成了傳感和識(shí)別化學(xué)成分的圖譜，但由于紅外區(qū)域光學(xué)材料的限制，目前還沒有廣泛應(yīng)用?；诜蔷€性晶體、氣室、光纖網(wǎng)絡(luò)和非線性波導(dǎo)的非線性光學(xué)過程的干涉測(cè)量方法可以部分解決這些局限性。通常，這些方法依賴于檢測(cè)干涉圖樣中的細(xì)微變化的能力，例如條紋的偏移或條紋可見度的變化。

Klyshko提出了一種基于晶體超晶格的解決方案。當(dāng)晶體數(shù)目增加時(shí)，由線性間隙隔開的N個(gè)非線性元件可以提供更高的光譜分辨率。每個(gè)晶體都構(gòu)成一個(gè)參量過程，其中一個(gè)高能量（泵浦光）光子可產(chǎn)生一個(gè)由低能量信號(hào)光子和一個(gè)具有量子關(guān)聯(lián)的空閑光子組成。雖然該觀點(diǎn)已用實(shí)驗(yàn)證明，但也提出了以下必須解決的挑戰(zhàn)。首先，須在多個(gè)非線性元件中保持信號(hào)光子和空閑光子之間的量子相關(guān)性。此外，越來越多的非線性波混頻過程需要更高程度的對(duì)準(zhǔn)和穩(wěn)定性，這很難實(shí)現(xiàn)。

圖1 基于晶體超晶格的非線性干涉儀原理圖。a 帶有晶體超晶格的非線性干涉儀的示意圖。N ?= 2（左）和N ?= 5（右）的相同非線性晶體被等間距分開，由具有動(dòng)量kp的泵浦激光器相干泵浦，產(chǎn)生一對(duì)相關(guān)信號(hào)光子ks（綠色箭頭）和閑散光子ki（紅色箭頭），然后將其重定向到下一個(gè)晶體。實(shí)驗(yàn)中，用探測(cè)器D測(cè)量信號(hào)光子的強(qiáng)度。b 具有兩晶體（左）和五晶體（右）的非線性干涉儀的干涉條紋的橫截面。

在最近發(fā)表的一篇論文中，Paterova和Krivitsky首次通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)高效的非線性干涉儀，該干涉儀由一系列非線性晶體超晶格組成的單相干激光泵浦構(gòu)成（圖1a）。與兩晶體相比，五晶體中的魯棒性、穩(wěn)定性以及高可見度頻率-角譜得到良好控制（圖1b）。

該氣體傳感實(shí)驗(yàn)顯示出更高的靈敏度。與以往報(bào)道相比，這個(gè)新傳感系統(tǒng)有了一些改進(jìn)：首先，以前的工作通常涉及兩個(gè)非線性元素，而新傳感系統(tǒng)演示了最多五個(gè)非線性元素的情況，但并不限于此數(shù)量；其次，通過調(diào)整晶體尺寸和晶體間的間隙，這種新傳感系統(tǒng)允許靈活地實(shí)現(xiàn)替代晶體構(gòu)型，為開展量子態(tài)工程提出了新方法；第三，這種新型結(jié)構(gòu)可以擴(kuò)展到其他光學(xué)平臺(tái)，如集成光子電路和光纖平臺(tái)；最后，該新傳感系統(tǒng)可應(yīng)用于多光子區(qū)，這將有助于提高可伸縮器件的收集時(shí)間和可行性。

總的來說，非線性干涉儀在傳感、計(jì)量、光譜學(xué)、成像和量子態(tài)工程的高性能器件領(lǐng)域有著誘人的發(fā)展前景。

該研究成果以“Nonlinear interferometers with correlated photons: toward spectroscopy and imaging with quantum light”為題，于2020年7月17日發(fā)表在Light: Science & Applications