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《前沿 | 山西大学研究团队在压缩激光研究取得新成果》

  • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者： 胡思思
  • 发布时间：2025-06-23

  • 近日，山西大学光量子技术与器件全国重点实验室研究团队利用压缩库增强光学参量耦合新方案，实验实现了一种压缩激光新型光源。相关研究成果“Reservoir-engineered squeezed lasing through the parametric coupling”发表于物理学顶级期刊Physical

    Review Letters上。

    图1. 压缩激光原理示意图

    与压缩态光场相比，压缩激光同时兼顾了经典激光的相干性与压缩真空的量子性，在量子光学领域甚至更广阔的物理学领域具有潜在的应用价值。然而，激光优越的相干性是受激辐射光放大强相互作用的产物，在激活粒子受激辐射的过程中，量子特性则被破坏；压缩态光场的制备则依赖于自发辐射过程，通过相敏操控弱相互作用实现量子关联特性保持，此过程却恶化了输出光场的相干性。因此，现有激光激发和压缩态制备方案均无法实现光场相干性与量子性的统一，这为压缩激光的实验制备带来了巨大挑战。

    图2. 激光和压缩特性相统一实验测试结果

    该项研究基于本课题组的高压缩度压缩态光场制备技术，利用压缩真空态编辑光学参量耦合中真空库的技术方案，解决了激光相干性与压缩态量子性无法统一的难题，首次在实验上制备了高功率、窄线宽、高压缩度压缩激光全新量子资源。具体为：建立了压缩激光噪声演化理论模型，提出了库编辑的光学参量耦合制备压缩激光的全新技术方案。发展了低损耗、无相变的光学参量振荡器、强参量耦合和单模选择技术，实验制备了最高压缩度为-6.1 dB、线宽为15 kHz（接近初始激光线宽）和输出功率为2.6 mW的压缩激光。该工作首次演示了压缩态抑制腔增强系统中的相变过程，实现了强参量耦合系统中量子态的有效保持，拓展了压缩态在实际物理系统中的应用。

  • 原文来源：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/3bdr-njhy
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    • 编译者：李晓萌
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    • 2025年2月20日，北京大学物理学院现代光学研究所王剑威教授和龚旗煌教授课题组与山西大学苏晓龙教授课题组合作，在国际顶级学术期刊《自然》（Nature）上发表一项以“基于集成光量子频率梳芯片的连续变量多体量子纠缠”（Continuous-variable multipartite entanglement in an integrated microcomb）为题的突破性研究成果。该团队在国际上首次实现了基于集成光量子芯片的连续变量簇态量子纠缠，为光量子芯片的大规模扩展及其在量子计算、量子网络和量子信息等领域的应用奠定了重要基础。研究团队通过创新性地发展超低损耗的连续变量光量子芯片调控技术和多色相干泵浦与探测技术，成功在氮化硅集成频率梳微环腔的真空压缩频率超模上确定性地制备出多比特纠缠簇态，并实现不同簇态纠缠结构的可重构调控。同时，团队利用van Loock-Furusawa判据实验违背和完备的nullifier（零化子）关联矩阵测量，对连续变量簇态的纠缠结构进行了严格实验判定。这一研究成果不仅解决了以往集成光量子芯片面临的扩展性难题，还为未来实现更大尺度的量子纠缠与量子调控提供了新的技术路径。该成果标志着集成光量子芯片技术在量子信息处理领域的重要突破，为量子计算和量子网络的实用化发展提供了关键技术支撑。 量子信息的基本单元是量子比特（qubit）或量子模式（qumode），二者可统称为量子比特。它们可分别通过离散变量和连续变量编码在光量子体系中实现，各具优缺点。例如，基于单光子的离散变量体系能够实现超高保真度的量子比特操作，但其面临的主要挑战是制备量子比特和量子纠缠存在概率性。根据现有技术手段，离散变量量子纠缠的制备成功率随比特数增加呈指数下降，这限制了其可扩展性。相比之下，基于光场正交分量编码的连续变量体系能够确定性产生量子比特和量子纠缠，尽管其操控保真度略低，却为大尺度光量子纠缠态的制备提供了一条极具前景的技术路径。 集成光量子芯片是一种能够在微纳尺度上编码、处理、传输和存储光量子信息的先进平台。自2008年国际上实现首个离散变量集成光量子芯片以来，集成光子芯片材料和技术取得了显著进展，并在离散变量光量子信息领域发挥了重要作用。然而，连续变量集成光量子芯片的发展面临诸多挑战：一方面，集成光学参量放大过程要求芯片具备高光学非线性和低光学损耗等高性能；另一方面，对片上多模压缩光场与纠缠的机理理解不足，多模纠缠调控与验证也存在技术瓶颈。这些因素导致连续变量光量子芯片的研究长期处于起步阶段，其编码与纠缠的比特数仅限于单模或双模压缩态，而多模（多比特）量子纠缠态的片上制备与验证仍极具挑战性。 纠缠簇态作为一种典型的多比特量子纠缠态，在量子信息科学中具有极其重要的地位。簇态不仅是单向量子计算的核心资源，还在量子纠错和容错量子计算中发挥关键作用，同时为量子网络的构建提供了重要支持，并可用于模拟复杂的多体量子系统。尽管簇态纠缠的重要性已被广泛认可，但其大规模制备技术仍面临诸多挑战。此前，光量子芯片上的簇态纠缠研究主要集中在离散变量体系，确定性地制备大规模纠缠簇态面临巨大实验困难，而连续变量簇态的片上制备和验证技术在国际上仍属空白。 在本研究中，研究团队首次在国际上实现了基于集成光量子芯片的连续变量纠缠簇态的确定性制备、可重构调控与严格实验验证。这一突破性成果不仅填补了连续变量光量子芯片领域的关键技术空白，还为大规模量子纠缠态的制备与操控提供了全新的技术路径，对推动量子计算、量子网络和量子模拟等领域的实用化发展具有非常重要的意义。 值得一提的是，当前纠缠模式数目的限制主要来自集成微腔的尺度（即频率间隔）和多色泵浦光的数目。团队已成功解决了基础的科学问题，为未来实现更大规模簇态纠缠及其在量子信息处理中的应用奠定了重要的物理基础。面向大规模扩展主要依赖于工程技术的优化，例如，通过先进芯片加工技术制备更大尺度的微腔，以及利用相位锁定的光学频率梳进行激发等工程手段，可以显著提升纠缠态的规模和复杂度。 论文原文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-025-08602-1
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  • 《前沿 | 超快激光器的烧蚀动力学研究》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2023-04-03
    • 高频飞秒激光器（可达若干吉赫兹，GHz）适用于调节和提高激光加工质量，以改善材料的物理化学性能。尽管烧蚀靶材动力学十分复杂，但是，材料科学家仍不能探索GHz飞秒激光器的激光-材料相互作用。 图1 (A)用 ICCD 相机对 GHz 脉冲烧蚀动力学进行时间分辨散射和发射成像的光学装置。在1030 nm 处的500飞秒激光在垂直聚焦在样品上。用532nm 连续波探针激光进行散射成像。在不使用探针激光的情况下，利用等离子体诱导的自发过程在500-930 nm 的光谱范围内进行成像。(B)单脉冲飞秒激光器的总通量为18.7 J/cm2的拥有WLI(顶部)和 SEM (底部) ；(C) GHz 脉冲为50脉冲，(D) GHz 脉冲为200脉冲。比例尺，5微米 近日，加州大学伯克利分校激光技术和机械工程专业的Minok Park团队通过时间分辨散射成像、发射成像和发射光谱等技术，研究了GHz飞秒激光脉冲对铜的烧蚀动力学，以上研究成果已发表在期刊《Science Advances》上。 该团队将以上几种方法结合起来，揭示了GHz飞秒激光如何与材料相互作用，它能够快速熔化并使其喷射出来。由于残留物有限，材料喷射过程在爆发照射后即停止，这样的过程可深入了解GHz飞秒激光激发的复杂烧蚀机制，并解释横切过程、纳米\微加工和光谱学中的最佳激光条件。 图2 单脉冲飞秒激光辐照。时间分辨(A)发射成像，(B)光发射光谱学和(C)散射成像显示在18.7 J/cm2的通量下，在不同的时间尺度上的烧蚀动力学。分别在100ns、200ns、500ns 和1μs 不同的 ICCD 下获得散射图像。这些图像中的蓝色线条代表铜靶表面，线条下面的图像是抛光铜表面的镜面反射。白色比例尺，50微米; 蓝色比例尺，10微米。 吉赫兹飞秒激光烧蚀 激光烧蚀是一种通过高功率激光相互作用逐渐去除材料表面的过程，可用于能量收集元件、存储元件、生物医学、光电子学和光谱学等领域。在此之前，通过超快飞秒激光烧蚀，材料科学家已实现材料加工和烧蚀的直接化、单一步骤化和无化学化。这一过程适用于精确调节烧蚀特性。 Park团队开发了多种方法实时监测激光烧蚀动力学。通过比较GHz飞秒激光烧蚀和飞秒激光烧蚀结果，他们发现，两种方法的吉赫可以加快熔融液体物质的喷射，停止辐射后，物质不再飞溅，因此，该团队直接了解了飞秒激光烧蚀的动力学和主要物理机制。 超快激光实验 在实验过程中，该团队使用一个光学系统来研究大气压下单飞秒激光脉冲和GHz飞秒脉冲对铜的烧蚀机制。通过时间分辨散射和发射图像，他们可视化发光和非发光样品。此外，他们用白光干涉测量法和扫描电子显微镜观察深度为500 nm的烧蚀坑形态。科学家们注意到在辐照点上出现了不规则的、重新固化的结构。与单脉冲辐照相比，重频提高了GHz脉冲的烧蚀效率。 图3 烧蚀动力学总结。(A)单脉冲飞秒激光和 GHz 脉冲诱导的实验喷射的 R-t 图。(B)单脉冲飞秒激光和(C) GHz 飞秒激光烧蚀动力学的实验研究。 可视化结果 此外，该团队观察了时间分辨图像、发射光谱和散射图像，以研究单脉冲飞秒激光在铜表面的烧蚀动力学（如图2）。图像显示从基底喷射出两种不同的粒子类型，包括在不同时间尺度之后释放的粒子类型: (1)在0-200纳秒延迟之后，和(2)在300纳秒至4微秒之间喷射的粒子类型。 此外，他们探索了时间分辨率的发射成像和光谱学，以及由50个脉冲组成GHz激发的烧蚀迸发图像。在实验过程中，他们注意到，球形的铜等离子体持续了30纳秒。 激光烧蚀动力学 经过200纳秒后，该团队没有观察到激光-物质相互作用区中心的喷射物，这表明目标没有被进一步烧蚀。这种行为明显不同于单脉冲烧蚀的动力学行为。 他们设计了两种促进物质喷射过程的机制，包括(1)物质在中心的汽化，和(2)液体通过快速、径向向外的流体运动形成熔池边缘的喷射，以反冲由汽化产生的压力。当铜纳米颗粒从熔池边缘喷出时，烧蚀坑表面仍有少量液体保持冰冻状态，他们利用扫描电子显微镜证实了这一点。 比较不同的激光烧蚀动力学过程 该团队使用时间分辨的发射成像，发射光谱和由千兆赫飞秒激光脉冲驱动的烧蚀散射图像。当他们在300秒之后释放散射图像时，喷出物显示了辐照点是如何冷却下来以抑制材料喷溅的。 通过比较了两种实验条件，他们进一步研究了由GHz脉冲驱动的铜的早期烧蚀动力学，并发现200脉冲驱动的GHz脉冲与50脉冲驱动的GHz脉冲驱动的铜具有明显不同的烧蚀动力学。与单脉冲照射相比，这些结果直接证实了GHz激光诱导烧蚀的不同机制。 展望 Minok Park 团队通过使用单飞秒激光脉冲和50-200脉冲的GHz脉冲多模式探测方法观察铜的烧蚀动力学。单脉冲飞秒激光在不同时间尺度上产生了两种不同喷射速度的粒子。 这些结果为全面了解GHz飞秒脉冲的熔融机制提供了实验依据，这对于探索激光加工、机械加工、印刷和光谱诊断等领域的各种应用至关重要。
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