白皮书：用于量子µm技术的非线性光学晶体

量子µm技术

Quant µm技术（QT）是一个令人兴奋的科学领域，已经对我们的生活产生了影响。 QT的影响将在未来几年内增加，非线性光学（NLO）晶体将在技术的商业化中发挥关键作用。预计QT将在三个主要类别的多个应用程序中具有实用性：

• 感应和时机：可以利用量子µm系统对环境影响的极端敏感性，以更精确地测量物理特性。
• 通信：尝试观察量子µm通信通道将以交换信息可检测的方式不可逆地改变系统状态。 Quant µm网络可以在遥远的用户之间将纠缠的光子作为“键”分配，以确保数据没有被拦截。
• 计算：使用叠加和纠缠的原理，对于某些问题类型，在理论上可以超过古典计算机的大幅加速。量子µm计算有望彻底改变计算，尤其是在涉及大型数据集和复杂计算的情况下。

早期产品今天正在商业化，但是QT行业仍处于起步阶段，需要各种提供商的新组件和系统，从而创建了目前在该领域中出现的稳定供应链。光子学将是供应链的核心，以及其生成纠缠的光子对，冷却原子还是生成稳定的量子µm状态NLO晶体和组件都是关键推动剂。

与均质材料中使用的更传统的双折射相位匹配 (BPM) 相比，微结构 QPM 材料具有简单的共线光学对准、非临界角走离、可获得最大非线性系数以及高度灵活的设计空间。

非线性晶体的类型

MGO掺杂的Lithi µm Niobate（MGO：LN）具有完善的晶圆供应链，这是由于材料在其他组件中广泛使用，并且可以定期固定以提高频率转换效率。 µm的宽传输范围非常适合CW和脉冲源的高效频率转换。

钾µm钛磷酸钛（KTP）的非线性低于MGO：LN，并且在需要更高的光疗法损伤的耐药性时使用。 KTP也可以定期固定，以提高在较短的波长下的SHG效率，但由于350nm至4 µm。 KTP还遭受了一个供应链的困扰，该供应链的确定性不如MGO：LN，因此物质质量具有更大的可变性，并且更昂贵。

Beta Bari µm硼酸盐（BBO）和Lithi µm硼酸盐（LBO） µm的近绿色到蓝色部分的生成波长中流行，因为它们在这些短波长处的透明度优于KTP和MGO：LN。 BBO透明至190nm，LBO透明至155nm。两种晶体均用于散装未固定的配置，尽管BBO的非线性和温度调谐带宽比LBO具有更大的非线性调节带宽，但LBO的步行距离较小，较高的损坏阈值以及更广泛的角度和波长调谐功能。两种晶体类型都受到较低的非线性的阻碍µm但使用具有很高输入功率的大晶体的能力使两种晶体类型都可以在较大的频率转换系统中有效使用。

对于特定应用的NLO晶体选择是由所需的波长，可用的P µm P源和NLO转换效率驱动的，如果应用需要显着的Vol µm ES，则供应链的材料成本和稳定性。其他考虑因素包括所需的输出功率，线宽，工作温度等。

当考虑不同的晶体材料时，µm（Linbo3）是一个特别有吸引力的选择，因为它具有很高的非线性系数。 ¹ MGO：LN和KTP是一种铁电材料，可以通过应用电场倒入域结构。通过应用空间图案的电场（所谓的周期性极点），可以在晶体内产生内置极化中的周期性逆转。然后，这使准相匹配可以用于访问最高（D ₃₃ ）的非线性系数。该技术不适合与LBO和BBO一起使用。

非线性变频过程

NLO晶体可以使用不同机制的µm BER传递频率转换，这使它们成为非常灵活的解决方案，用于产生狭窄的线宽，远光灯质量，稳定的光源在其传输窗口上。这种灵活性结合了电信行业驱动的随时可用的商业资源，使其非常适合QT中感兴趣的波长。下图突出了一些目标波长，这些目标波长可用于原子观点转变。

这些过程包括：

第二次谐波生成（SHG）或频率加倍，是最常用的二阶非线性过程。在SHG中，将两个具有相同波长λp的输入P µM P光子_通过µm过程组合，以在λSHG处生成第三个光子_，其中λshg ₌ λp _/ 2（或频率f _shg = 2f _p ）。 NLO SHG晶体可以用QPM光栅周期制造，适用于从976nm到3300nm的多种市售P µm P激光波长，从而使频率在488nm和1550nm之间的频率加倍。

S µm频率产生（SFG）_λp和λs_处结合了两个输入光子，_λSFG处生成输出光子，其中λSFG ₌ （1/λP ₊ 1/λS _） -1（或在频率F f _shg = f shg = f _p + p _s ）中。通过结合易于可用的固定（例如1550nm）和可调节（例如780/810nm）P µm P激光源NLO SFG晶体可以提供可调的输出光，可以在500-700nm之间提供可调的输出灯。

当两个在λp和λs处的输入光子入射在晶体上时，差异频率产生（DFG）发生_，较低_的频率信号光子的存在λS ，_刺激P µm P光子，λP _，以发射信号光光子λs_λI =（1/λP _- 1/λs）的信号光光子λs和iDler photon =（其中λi =（1/λp - 1/λs _{） -}或f _s ） _{-1 （}或F _s ）。在此过程中，两个信号光子和一个怠速光子退出晶体，导致放大信号场。这被称为光学参数扩增（OPA）。此外，通过将非线性晶体放置在光学谐振器中，也称为光学参数振荡器（OPO），可以显着提高效率。 NLO DFG晶体可以设计用于与常见的固定和可调P µm P波长（例如1064/1550/775nm），以覆盖MID-IR中从近IR到4.5μm以上的宽，连续的输出调谐范围。

量子µm应用的感兴趣波长

碱金属原子的特殊结构是精度光谱，激光冷却和原子的诱捕，原子干涉仪，原子频率标准标准的基础。在这些原子中，已经详细研究了rubidi µm （Rb），Caesi µm （CS），Berylli µm （BE），Bari µm （BA），Stronti µm （SR）。 NLO晶体最常用于量子µm光学系统中，其中需要狭窄的线宽激光器来访问特定的原子过渡，以操纵和冷却原子和二极管激光器不产生功率，线宽，光束质量或波长所需或不可欣赏的离子。

在这些系统中，NLO晶体是一个非常有吸引力的选择，因为它们可以精确设计旨在提供所需的输出功率和波长。它们也很有吸引力，因为它们建立在现有的供应链上，在该供应链中，由于市售电信激光器，P µm P源是低成本的，因此可以通过NLO晶体波长转换可以很容易地实现以精确波长的瓦特电平输出。

生成的波长可以是所需原子跃迁的目标波长，也可以是中间态，然后由另一种晶体进一步转换，例如 MgO:PPLN 中 1051 nm 和 1550 nm 的组合给出 626 nm 的输出，然后通过 BBO 将其加倍至 313 nm。²

量子µm应用中NLO晶体使用的示例

原子冷却和捕获。激光冷却和捕获是将原子降低到绝对零的技术，并将这些原子限制在陷阱中。处于其基态的原子可以存储量子µm信息，而受激发的rydberg原子之间的远距离相互作用对于成功在Quant µm µm。

原子干涉测量提供的高精度和可扩展技术能够更灵敏地检测特征，例如更小尺寸或更大深度。许多原子光学应用都喜欢高激光功率，同时保持窄线宽和高空间光束质量。例如，在重力传感和原子钟等利用冷原子干涉测量的应用中，铷原子的磁光捕获 (MOT) 需要从 1560 nm 光源 (SHG) 产生 780 nm 光。³

在这些应用中，在1560nm处的商业现成（COTS）电信激光器可以有效地翻倍至780nm，对于波导解决方案⁴ 。 µm 的组合与频率加倍的晶体结合在一起，可以有效地生成780nm功率和支撑RB原子捕获所需的狭窄线宽。

结论

基于NLO晶体的激光系统已用于许多量子µm应用中。 MGO：PPLN晶体在商业NLO晶体中具有最高有效的非线性系数，并且是380nm至5μm范围内应用的首选晶体，但是，在很高的功率（例如，在532nm时，例如，在532nm处）或波动范围以外的波长需要KTP，BBO和LBO晶体。

非线性频率生成是获得所需输出波长的有效方法，具有低相位噪声、高光束质量和窄线宽的 QT。作为基于 PPLN 的波长转换产品的领先供应商，Covesion 能够为客户特定解决方案提供建议，并为其设置、使用和优化提供技术支持。凭借如下图所示的广泛的 COTS 产品组合，以及非库存产品的定制设计和制造能力，Covesion 是您支持最广泛的波长转换应用的理想合作伙伴。

参考

1. M. Odstrcil 等人，“非线性叠层相干衍射成像”，Optics Express，第 20245-20252 页，2016 年。
2. hsiang-yu lo等。 Al，“用于电离，冷却和量子µm的全稳态连续波激光系统对孢子µm离子的状态操作，” Applied Physics B，第114卷，第17-25页，2014年，第17-25页。
3. Diviya Devani 等人，“重力感应：6U 立方体卫星上的冷原子陷阱”，CEAS 空间杂志，卷。 12，p。 539–549，2020。
4. Sam A. Berry等人，“ MGO中的Zn-Indiffed Cition Dition Ridge Waveguides：PPLN以70％的效率生成1瓦780 nm SHG，” OSA Continu µm ，第1卷。 2，不。 12，第3456-3464页，2019年。
5. Thomas A. Wright 等人，“用于将 422 nm 处的 Sr+ 跃迁连接到电信的双向光子接口”，Phys。应用牧师，卷。 10，p。 044012, 2018。