导读

近日，哈尔滨理工大学朱智涵、中国科学技术大学史保森与南京大学胡小鹏、祝世宁联合团队在非线性光场调控方面实现重要创新应用 — 提出、论证一种基于“结构非线性光学”的相位超分辨测量方案：利用光场空间模态结构在介电准晶超结构中的级联非线性干涉过程高效构造、提取多光子复振幅信号，首次以实时的方式测得高达12光子德布罗意波长且可见度近乎完美的超分辨信号，为发展可实际应用的高倍率相位超分辨干涉测量技术提供一条全新的物理途径。相关成果以“Real-Time Superresolution Interferometric Measurement Enabled by Structured Nonlinear Optics”为题发表于Laser & Photonics Reviews并被编辑部推选为第6期正封面论文。

研究背景

光学干涉仪计量技术及仪器是现代精密测量科学的核心支撑，从百余年前否定以太假说的初代迈克尔逊干涉仪到近来能够观测引力波事件的激光干涉引力天文台，干涉仪的性能伴随激光与光场调控技术的发展已实现跨多数量级的提升。光学干涉仪的性能可由相位分辨率与敏感性来表征，二者分别由注入干涉仪的光源波长（或等效德布罗意波长）与功率（或可探测光子）决定。由于极短波长光场易被吸收且难以操控，因此干涉仪的分辨率无法通过缩短波长无限提升。而“相位超分辨”即是指设法超越光源波长的技术手段。

目前“相位超分辨”研究的主要途径是通过多光子纠缠态的制备与调控，通过N光子符合计数的方式实现具备图片等效德布罗意波长的复振幅信号的提取与记录，该途径的优点在于理论上可同时实现“相位超分辨”与“相位超敏感”。但是多光子态的制备与调控难度随N呈指数增加，当N=10时干涉振幅信号每个数据点的采集都需要数小时的符合计数且干涉可见度较差，无法用于实际测量。对于N=2的最简情况，在昂贵超导探测器与周期极化晶体技术加持下即便能够同时实现相位超分辨与超敏感（Nat. Photon. 2017, 11, 700），但是低于皮瓦量级的信号光子流使其仍然难以具备实际应用潜力。总之，高亮度多光子源与超高速光子符合计数两项短期内难以突破的技术瓶颈共同限制了以调控多光子纠缠态为途径的超分辨干涉测量技术的可实际应用。

研究亮点

针对上述前沿难题，哈尔滨理工大学朱智涵、中国科学技术大学史保森与南京大学胡小鹏、祝世宁联合团队以非线性光场调控物理研究成果（Phys. Rev. A 100, 053840；Phys. Rev. A 101, 063805）为基础，另辟蹊径：利用轨道角动量（OAM）相干态在参量上转换过程中的模态结构演化模拟N00N态在SU(2)中的光子数模态行为，进而得以更加高效的主动手段（相较于从微弱SPDC场中被动中筛选目标多光子概率幅）制备携带倍干涉仪臂间相位参量的多光子振幅信号。如图1所示，我们利用准周期光学超晶格中的多重准相位匹配在单块人工超构晶体中实现了N=4倍的由相干态（可由功率型低成本光电探测器高速记录）携带的相位超分辨信号。

图1 在准周期光学超晶格中通过级联参量上转换实现N =4倍的实时相位超分辨测量

此外，与多光子聚束技术情况类似，当N>2时也会出现除目标模态N00N以外的噪声模态。但现有成熟的空间模态投影技术可以高效的提取出目标多光子振幅（本途径中为共轭OAM模态），实现近乎完美（图片）的干涉可见度。另一方面，由于改技术中信号波长在级联上转换中逐步减小，阻碍了分辨率的连续提升。但是已获得的N倍超分辨的SU(2)干涉相位信息由OAM模态承载，与光场纵模无关。因此，如图2，我们通过对超分辨信号进行下转换降低频率后，再次级联参量上转换，最终实现了高达N=12的相位超分辨干涉信号，且此时信号强度仍然肉眼可见，仅需低成本光电探测器即可实现实时记录。

图2 通过参量下转换回滚信号频率后再次倍增相位分辨率至图片

当我们站在非线性光学的视角审视本研究与传统途径的区别会发现：多光子纠缠制备通常利用SPDC过程将短波pump光场以极低的效率转换为光子流，并用低效的光子符合计数系统从中“大海捞针”筛选目标信号。最终，系统性能会远低于直接利用pump光源传感的干涉仪。而本方案是利用空间模态将相位信息编码进pump光场，并利用“强有力”的受激参量过程主动构造多光子振幅，因此系统的绝对性能得到质的飞跃，而级联非线性中折损的信号功率还可通过相敏参放实现再次增益。因此，本工作为发展可实际应用的相位超分辨干涉计量技术及仪器开启了全新的技术途径。

图3 Laser Photonics Rev. Issue 6封面故事：基于结构非线性光学的实时超分辨干涉测量技术。

总结与展望

该研究工作于2023年3月19号以“Real-Time Superresolution Interferometric Measurement Enabled by Structured Nonlinear Optics”为题在线发表在Laser & Photonics Reviews上（DOI：10.1002/lpor.202200967），并被编辑部推选为即将印刷发表的第6期正封面（outside front cover）论文（见图3）。

哈尔滨理工大学测通学院大珩中心为第一完成单位；原物理系2018级大珩班（由郭光灿院士推动建设的强基培养计划）本科生张鑫宇为第一作者（现南京大学2022级直博生、导师为祝世宁院士与胡小鹏教授），此项研究为该生的本科科研实训内容与毕业设计；哈尔滨理工大学朱智涵、南京大学胡小鹏与中国科学技术大学史保森教授为共同通信作者，祝世宁院士亦对本工作做出关键指导。该研究工作得到了国家自然科学基金和科技部“变革性技术关键科学问题”重点专项等的资助。