西安光機(jī)所在亞散粒噪聲精密測(cè)量領(lǐng)域研究取得重要進(jìn)展

　　【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近日，西安光機(jī)所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室非線性光學(xué)及應(yīng)用課題組在亞散粒噪聲精密測(cè)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(guó)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(cè)量技術(shù)所能達(dá)到的最小測(cè)量極限。隨著引力波等微弱信號(hào)探測(cè)需求的增長(zhǎng)，如何突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限實(shí)現(xiàn)更高精度測(cè)量是精密測(cè)量領(lǐng)域的重要科學(xué)問題。作為最實(shí)用和最有效的量子計(jì)量資源之一，壓縮態(tài)能使測(cè)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(cè)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(cè)器的非理想探測(cè)效率也會(huì)導(dǎo)致其量子優(yōu)勢(shì)無法充分體現(xiàn)。對(duì)此，研究人員提出使用光參量放大器(OPA)對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行預(yù)放大來克服由于低探測(cè)效率引起的檢測(cè)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(huì)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(hào)精密測(cè)量亟需解決的重點(diǎn)與難點(diǎn)。
 

　　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(dú)有特性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)無噪放大，有望助力光學(xué)精密測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)新的突破。
 

圖1. 基于壓縮態(tài)的亞散粒噪聲量子測(cè)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(hào)探測(cè)能力的方法。研究發(fā)現(xiàn)，使用寬帶壓縮光作為探測(cè)光可提高微弱信號(hào)的探測(cè)能力，在探測(cè)器的探測(cè)效率較低時(shí)(η<0.5)，使用PSA預(yù)放大可顯著提高因?yàn)榈吞綔y(cè)效率引起的量子優(yōu)勢(shì)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(huì)導(dǎo)致非理想相敏放大引入少量噪聲，但高增益可有效補(bǔ)償這一退化。相關(guān)研究成果為引力波探測(cè)、量子增強(qiáng)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(cè)器檢測(cè)效率，頻率失諧量，壓縮度和相位敏感增益等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)量子優(yōu)勢(shì)的影響
 

　　西安光機(jī)所非線性光學(xué)及應(yīng)用課題組近年來對(duì)微弱信號(hào)探測(cè)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(hào)探測(cè)及成像領(lǐng)域因背景噪聲強(qiáng)、探測(cè)器低靈敏度等因素而導(dǎo)致難以有效探測(cè)識(shí)別微弱信號(hào)的技術(shù)瓶頸問題，該課題組已形成光學(xué)隨機(jī)共振弱光圖像重構(gòu)技術(shù)、中紅外上轉(zhuǎn)換高靈敏探測(cè)技術(shù)以及相位敏感弱信號(hào)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(guó)際知名期刊上，得到了國(guó)內(nèi)外同行專家的認(rèn)可和積極的評(píng)價(jià)。(瞬態(tài)室   供稿)