基于楔形非线性晶体的纠缠光子对源研究
本文由Tianxuan Feng、Shuyuan Zhang、Tong Wu、Zhiying Song及通讯作者Lijing Li（隶属北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院）合作完成，研究成果发表于期刊《Optical Materials》第145卷（2023年），文章编号114441，于2023年10月4上线。
学术背景
研究领域为量子光学与非线性光学，聚焦于纠缠光子对源的制备技术。纠缠光子对是量子通信、传感和计算的核心资源，其制备主要通过自发参量下转换（Spontaneous Parametric Down-Conversion, SPDC）在块状非线性晶体中实现。然而，传统方法中晶体的双折射走离效应（birefringence walk-off）会导致信号光与闲频光传播方向分离，降低质量。针对这一问题，本研究提出了一种创新方案——利用楔形非线性晶体补偿走离效应，旨在提升纠缠光子对的产量和纠缠度。
研究流程与方法
理论建模与晶体设计
- SPDC过程分析：通过能量守恒（(\omega_p = \omega_s + \omega_i)）和动量守恒（(\mathbf{k}_p = \mathbf{k}_s + \mathbf{k}_i)）原理，推导了II类硼酸钡（BBO）晶体中光锥相交的条件。
- 楔形结构优化：通过几何光学与晶体光学理论，计算了补偿走离所需的最佳楔角 (\psi = 4.1^\circ)，并建立晶体切割角 (\beta = 42.3^\circ) 与楔角的数学关系（式3）。
实验系统搭建
- 光源与光路：采用波长为405 nm的连续激光泵浦，经半波片（HWP）和偏振分束器（PBS）筛选垂直偏振分量，通过带通滤波器（BF）和孔径光阑优化光束质量。
- 晶体与探测：对比传统长方体BBO晶体与楔形晶体（中心厚度3.0 mm），使用二向色镜（DM）和长通滤波器（LF）滤除泵浦光，通过偏振分析仪（PA）和单光子计数器（SPCM）检测810 nm纠缠光子对。
- 数据采集：采用时间标记仪记录符合计数，通过计算机分析符合曲线和纠缠可见度。
关键创新技术
- 楔形晶体加工：通过精确切割晶体前端面形成小角度斜面，抵消e光与o光的走离角（理论值 (\alpha = -4.1^\circ)）。
- 泵浦光束调控：实验验证了光束直径对纠缠质量的影响，发现1.5 mm直径时可见度最优（98.1%）。
主要结果
纠缠质量提升
- 与传统晶体相比，楔形晶体的单光子计数率提高6%，符合计数率提升5%，纠缠可见度达 (98.3 \pm 0.5\%)（扣除背景后）。
- 贝尔不等式测试结果 (|S| = 2.563 \pm 0.017)，显著超越经典极限（(S| \leq 2)），证实高强度纠缠态生成。
参数优化验证
- 泵浦光束直径表明，1.5 mm时可见度与计数率达到平衡，进一步增大直径会因光锥过厚降低相干性（图4）。
- 对比倾斜长方体晶体（4.1°）发现，虽可提升光子数但无法解决光程差异问题，验证了楔形结构的必要性。
结论与价值
科学意义
- 首次通过楔形晶体结构有效补偿双折射走离，为SPDC过程的光路设计提供新范式。
- 理论推导与实验验证的结合，揭示了晶体几何参数与纠缠特性的定量关系。
应用前景
- 该方案可直接集成于现有量子系统，适用于量子密钥分发、 ghost imaging（鬼成像）等领域。
- 低泵浦功率（40 mW）下实现高性能纠缠源，为高功率场景（如多光子纠缠）提供优化方向。
研究亮点
- 方法创新：楔形晶体设计突破了传统长方体晶体的物理限制，无需复杂光路调整即可优化纠缠质量。
- 高实用性：实验系统兼容常规光学元件，稳定性高，便于工业化推广。
- 场景适用性：方案可拓展至其他非线性晶体（如KDP）和纠缠自由度（如轨道角动量）。
补充说明
作者团队特别感谢北京航空航天大学孙明杰教授的指导，研究得到国家自然科学基金（15000601）支持。数据可依据需求公开无利益冲突声明。该成果为《Optical Materials》2023年高影响力研究之一。