白皮书：用于量子µm技术的非线性光学晶体

量子µm技术

量子µm技术（QT）是一个令人振奋的科学领域，它已经开始对我们的生活产生影响。未来几年，QT 的影响力将不断扩大，非线性光学（NLO）晶体将在该技术的商业化过程中发挥关键作用。预计 QT 将在以下三个主要类别的多个应用领域发挥作用：

• 传感和计时：量子µm系统对环境影响的极高灵敏度可用于更精确地测量物理特性。.
• 通信：试图观测量子µm通信信道将不可逆地改变系统状态，这种改变可被信息交换双方察觉。量子µm网络可以利用纠缠光子作为“密钥”在远距离用户之间进行通信，以确保数据不被拦截。.
• 计算：利用叠加和纠缠原理，理论上可以显著提高某些类型问题的计算速度，超越传统计算机。量子µm计算有望彻底革新计算方式，尤其是在处理大型数据集和复杂计算方面。.

目前，早期产品已开始商业化，但量子传输（QT）产业仍处于起步阶段，需要来自众多供应商的新型组件和系统，从而构建一个正在该领域兴起的稳定供应链。光子学将是该供应链的核心，无论是生成纠缠光子对、冷却原子，还是生成稳定的量子µm态，非线性光学（NLO）晶体和组件都将是关键的推动因素。.

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 材料具有以下优点：简单的共线光学对准、非关键角度偏移、可获得最大的非线性系数以及高度灵活的设计空间。.

非线性晶体的类型

氧化镁掺杂的铌酸µm（MgO:LN）材料在其他器件中的广泛应用，其晶圆供应链已相当成熟。此外，该材料可通过周期性极化来提高频率转换效率。MgO:LN在商用非线性材料中具有最高的有效非线性系数，且传输范围宽广（380nm至5µm µm ，使其非常适合用于连续波和脉冲源的高效频率转换。

钾µm磷酸盐 (KTP) 的非线性系数低于氧化镁铌酸盐 (MgO:LN)，因此适用于需要更高抗光折变损伤性能的场合。KTP 还可以通过周期性极化来提高短波长下的倍频效率，但由于其透射窗口较窄（350nm 至 4µm），在中红外波段的应用受到限制µm此外，KTP 的供应链不如 MgO:LN 成熟，因此其材料质量波动较大，价格也更高。

β-钡µm盐 (BBO) 和锂µm盐 (LBO)晶体因其在近紫外至蓝光波段的透明性优于 KTP 和 MgO:LN，已成为产生该波段波长的热门选择µm的透明波长可达 190nm，LBO 可达 155nm。两种晶体均采用体非极化配置。虽然 BBO 的非线性系数和温度调谐带宽均大于 LBO，但 LBO 具有更小的偏转角、更高的损伤阈值以及更宽的角度和波长调谐范围。两种晶体的非线性系数均远低于锂铌µm，但由于它们能够使用大尺寸晶体并承受极高的输入功率，因此可以有效地应用于大型频率转换系统中。

针对特定应用选择非线性光学晶体取决于所需的波长、可用的pµm光源、非线性光学转换效率，以及如果应用需要大量µm，则还需考虑材料成本和供应链稳定性。其他需要考虑的因素包括所需的输出功率、线宽、工作温度等。.

在考虑不同的晶体材料时，铌酸µm（LiNbO3）因其极高的非线性系数而成为一种极具吸引力的选择。MgO ^: LN 和 KTP 是铁电材料，其畴结构可通过施加电场进行反转。通过施加空间图案化的电场（即所谓的周期性极化），可以在晶体内部产生内建极化的周期性反转。这使得准相位匹配能够用于获得最高的非线性系数（d33 _） 。该技术不适用于 LBO 和 BBO。

非线性频率转换过程

非线性光学晶体可以利用µm级的不同机制实现频率转换，这使其成为在传输窗口内产生窄线宽、高光束质量、稳定光源的非常灵活的解决方案。这种灵活性，加上电信行业推动的易于获取的商业资源，使其成为量子力学中目标波长的理想选择。下图突出显示了一些可用于原子跃迁的目标波长。.

这些流程包括：

二次谐波产生（SHG） ，或称倍频，是最常用的二阶非线性过程。在SHG中，两个波长相同的pµm光子（λ_{_P）}通过非线性过程组合，产生波长为λ _{_SHG ，其中λ _SHG} = λ _{_P} /2（或用频率表示为f _SHG </sub> = 2f<sub> _P ）。非线性光学（NLO）SHG晶体可以采用准相位匹配（QPM）光栅周期，适用于976nm至3300nm范围内的商用pµm激光器，从而产生488nm至1550nm之间的倍频光。

二次µm产生（SFG） _P 和λ _{_S的}两个输入光子组合起来，产生波长为λ _{_SFG的}，其中λ _{_SFG} = (1/λ _P </sub> + 1/λ _{_S} )-1（或用频率表示为f <sub>_SHG = f _P + f _{_S} ）。通过结合现有的固定波长（例如1550nm）和可调谐波长（例如780/810nm）的pµm激光源，非线性光学SFG晶体可以提供500-700nm范围内的可调谐输出光。

_P</sub>和 λ_{_S}的入射光子照射到晶体上时，差频产生 (DFG) _S </sub> 的存在会激发波长为 p µm的光子 λ<sub> _{P S} 的信号光子和频率为 λ_{_i ，其中 λ _{_i} = (1/λ _{_P} – 1/λ _{_S} )^-1（或用频率表示为 f _{_i} = f _P} – f_{_S}）。在此过程中，两个信号光子和一个闲置光子从晶体中射出，从而产生放大的信号场。这被称为光参量放大 (OPA)。此外，通过将非线性晶体置于光学谐振腔（也称为光参量振荡器 (OPO)）中，可以显著提高效率。 NLO DFG 晶体可以设计成与常见的固定和可调谐的 p µm p 波长（例如 1064/1550/775nm）配合使用，以覆盖从近红外到中红外 4.5μm 以上的宽广连续输出调谐范围。

量子µm应用感兴趣的波长

碱金属原子的特殊结构是精密光谱、激光冷却和原子捕获、原子干涉仪以及原子频率标准的基础。其中，µm(Rb)、µm(Cs)、µm(Be)、µm(Ba)和µm(Sr)等原子已被深入研究。非线性光学(NLO)晶体最常用于量子µm光学系统，在这些系统中，需要窄线宽激光器来激发特定的原子跃迁，从而操控和冷却原子和离子。而二极管激光器无法提供所需的功率、线宽、光束质量或波长，或者难以获得这些激光器。.

在这些系统中，非线性光学晶体是一种极具吸引力的选择，因为它们可以被精确设计以提供所需的输出功率和波长。此外，由于商用电信激光器成本低廉，p µm p 光源也易于获取，因此利用现有的供应链，通过非线性光学晶体的波长转换，可以轻松实现瓦级功率输出和精确的波长。.

产生的波长可以是所需原子跃迁的目标波长，也可以是中间态，然后通过另一个晶体进一步转换，例如，MgO:PPLN 中 1051nm 和 1550nm 的组合产生 626nm 的输出，然后通过 BBO 加倍到 313nm。.²

非线性光学晶体在量子µm应用中的应用实例

原子冷却与捕获。激光冷却与捕获技术可以将原子冷却至接近绝对零度，并将这些原子限制在阱中并使其稳定存在。处于基态的原子可以存储量子µmµmµm信息协议的成功运行至关重要。

原子干涉测量技术具有高精度和可扩展性，能够更灵敏地检测更小尺寸或更深深度的特征。许多原子光学应用需要高激光功率，同时保持窄线宽和高空间光束质量。例如，在利用冷原子干涉测量技术的应用中，如重力传感和原子钟，需要从 1560nm 光源（二次谐波产生）产生 780nm 光束，才能实现铷原子的磁光捕获 (MOT)。.³

在这些应用中，商用现成 (COTS) 1560nm 电信激光器可以高效地倍频至 780nm，对于波导解决方案，转换效率已达到 70% ^4。将 COTS p µm p 激光组件与倍频晶体相结合，可以经济高效地产生 780nm 功率和窄线宽，以支持 Rb 原子捕获。

结论

基于非线性光学（NLO）晶体的激光系统已被应用于许多量子µm应用中。MgO:PPLN晶体在商用NLO晶体中具有最高的有效非线性系数，是380nm至5μm波段应用的首选晶体。然而，当需要极高功率（例如，532nm波长下>3W连续波）或超出光学波段的波长时，则可以使用KTP、BBO和LBO晶体。.

非线性频率生成是一种高效的方式，能够以低相位噪声、高光束质量和窄线宽获得所需的输出波长，适用于量子传输（QT）。作为领先的基于PPLN的波长转换产品供应商，Covesion能够为客户提供定制解决方案方面的建议，以及在设置、使用和优化方面的技术支持。Covesion拥有丰富的商用现货（COTS）产品组合（如下图所示），并具备非库存产品的定制设计和制造能力，是您在各种波长转换应用领域的理想合作伙伴。.

参考

1. M. Odstrcil 等人，“非线性叠层衍射相干成像”，Optics Express，第 20245-20252 页，2016 年。.
2. Hsiang-Yu Lo 等人，“用于铍µm电离、冷却和量子µm态操控的全固态连续波激光系统”，《应用物理 B》，第 114 卷，第 17-25 页，2014 年。.
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:PPLN 中 Zn 扩散的切割脊波导以 70% 的效率产生 1 瓦 780 nm SHG”，OSA Continu µm ，第 2 卷，第 12 期，第 3456-3464 页，2019 年。.
5. Thomas A. Wright 等人，“用于将 422 nm 的 Sr+ 跃迁与电信连接的双向光子接口”，《物理评论应用》，第 10 卷，第 044012 页，2018 年。.