【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近日，西安光機所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點實驗室非線性光學(xué)及應(yīng)用課題組在亞散粒噪聲精密測量領(lǐng)域研究取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以“Tolerance enhancement of inefficient detection and frequency detuning by non-perfect phase-sensitive amplification in broadband squeezing-based precision measurement”為題發(fā)表在國際著名光學(xué)期刊Journal of the Optical Society of America B，并被選為Editor`s Pick(編輯精選)文章。(Editor's Picks serve to highlight articles with excellent scientific quality and are representative of the work taking place in a specific field.)
 

　　標(biāo)準(zhǔn)量子極限是經(jīng)典測量技術(shù)所能達(dá)到的最小測量極限。隨著引力波等微弱信號探測需求的增長，如何突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限實現(xiàn)更高精度測量是精密測量領(lǐng)域的重要科學(xué)問題。作為最實用和最有效的量子計量資源之一，壓縮態(tài)能使測量精度突破散粒噪聲極限并逼近海森堡極限，可以為精密測量領(lǐng)域帶來革命性突破。
 

　　然而壓縮態(tài)的低魯棒性限制了它在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用，且探測器的非理想探測效率也會導(dǎo)致其量子優(yōu)勢無法充分體現(xiàn)。對此，研究人員提出使用光參量放大器(OPA)對微弱信號進(jìn)行預(yù)放大來克服由于低探測效率引起的檢測損失。由于存在量子漲落現(xiàn)象，經(jīng)典放大器的放大過程會伴隨著散粒噪聲引入，導(dǎo)致噪聲指數(shù)NF>3dB。因此，突破這一固有限制是微弱信號精密測量亟需解決的重點與難點。
 

　　基于以上關(guān)鍵問題，該課題組開展了基于二階非線性的相位敏感光參量放大器(PSA)相關(guān)研究。PSA以其在放大過程中不引入新的噪聲的獨有特性，可實現(xiàn)對微弱信號無噪放大，有望助力光學(xué)精密測量技術(shù)實現(xiàn)新的突破。
 

圖1. 基于壓縮態(tài)的亞散粒噪聲量子測量方案示意圖
 

　　課題組提出了應(yīng)用PSA來提高基于寬帶壓縮光的微弱信號探測能力的方法。研究發(fā)現(xiàn)，使用寬帶壓縮光作為探測光可提高微弱信號的探測能力，在探測器的探測效率較低時(η<0.5)，使用PSA預(yù)放大可顯著提高因為低探測效率引起的量子優(yōu)勢衰減，并有效改善壓縮態(tài)的低魯棒性。研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，盡管寬光譜引起的頻率失諧會導(dǎo)致非理想相敏放大引入少量噪聲，但高增益可有效補償這一退化。相關(guān)研究成果為引力波探測、量子增強激光雷達(dá)、量子成像、量子通信等領(lǐng)域的發(fā)展提供了關(guān)鍵理論支撐。
 

　　圖2. 探測器檢測效率，頻率失諧量，壓縮度和相位敏感增益等參數(shù)對系統(tǒng)量子優(yōu)勢的影響
 

　　西安光機所非線性光學(xué)及應(yīng)用課題組近年來對微弱信號探測及弱光成像技術(shù)進(jìn)行了深入的研究并取得一定的突破。應(yīng)用非線性光學(xué)效應(yīng)可以有效解決弱信號探測及成像領(lǐng)域因背景噪聲強、探測器低靈敏度等因素而導(dǎo)致難以有效探測識別微弱信號的技術(shù)瓶頸問題，該課題組已形成光學(xué)隨機共振弱光圖像重構(gòu)技術(shù)、中紅外上轉(zhuǎn)換高靈敏探測技術(shù)以及相位敏感弱信號放大等關(guān)鍵技術(shù)的研究能力，相關(guān)研究成果近期先后發(fā)表在Optics Express、IEEE Photonics Journal、Nanomaterials、Journal of the Optical Society of America B等國際知名期刊上，得到了國內(nèi)外同行專家的認(rèn)可和積極的評價。(瞬態(tài)室   供稿)