Beihang大学与清华大学团队在《Optics Express》发表双折射走离效应补偿新方案

2024年11月4日，国际知名光学期刊《Optics Express》第32卷第23期发表了由Beihang大学仪器科学与光电工程学院冯天轩、范荣等（第一作者）及清华大学精密仪器系黄超（合作作者）团队完成的研究论文《Pre- and post-compensation to suppress birefringent walk-off effects of entangled photons》。该研究针对自发参量下转换（SPDC）制备纠缠光子对过程中存在的双折射走离效应（birefringent walk-off），提出了一种创新的“预补偿-后补偿”分离方案，显著提升了偏振纠缠光子对的质量。

学术背景

量子信息科学的核心资源是纠缠光子源，其制备通常依赖非线性晶体中的SPDC过程。然而，晶体的双折射特性会导致信号光（e光）与闲置光（o光）因折射率差异产生空间走离（spatial walk-off）和时间走离（temporal walk-off），降低纠缠保真度。现有补偿方案多聚焦单一类型走离的修正，或需引入复杂光路调整。本研究旨在通过理论设计分离式补偿结构，同步抑制两类走离效应，为量子探测与成像提供更优光源。

研究流程与方法

1. 理论建模与补偿设计

   • 空间走离预补偿：依据BBO晶体的e光离散角公式（式1-2），推导YVO₄光学楔形角（式6），通过楔形棱镜预先调整泵浦光（e光）传播方向，使其在BBO晶体中与o光路径对齐。计算得到楔角为3.75°。
     
   • 时间走离后补偿：基于对称性原理，在两路光锥交汇后插入半波片（HWP）和0.5 mm厚BBO补偿晶体（生产晶体厚度的一半），通过偏振转换与延迟匹配消除时间差（式4）。
     

2. 实验系统搭建

   • 光源与调制：405 nm连续激光泵浦10×10×1 mm³的II型BBO晶体，泵浦功率40 mW，通过HWP1和偏振分束器（PBS）调节功率。
     
   • 预补偿模块：泵浦光经3.75° YVO₄楔形棱镜后入射BBO晶体，优化楔形棱镜与晶体的间距以最小化空间分离。
     
   • 后补偿模块：SPDC产生的810 nm光子对通过HWP2和两片0.5 mm BBO晶体，并利用长通滤光片（LPF）滤除残余泵浦光。
     
   • 探测与分析：偏振分析仪（含HWP、PBS和带通滤波器）配合单光子计数器（效率65%）记录符合计数，时间符合系统（TCSPC）采集数据。

3. 实验验证与数据分析

   • 纠缠质量测试：固定PA2的HWP角度为45°，旋转PA1的HWP测量单计数与符合计数。对比无楔形棱镜、2.0°楔角及3.75°楔角三种配置的干涉可见度（visibility）：3.75°楔角的符合计数比无补偿时提高8.3%，可见度达98.6%（扣除偶然符合）。
     
   • 泵浦光束直径影响：实验发现1.2 mm直径时符合计数可见度最高，超过此值后因光锥过厚导致相干性下降。
     
   • 贝尔态验证：通过调节HWP3和QWP生成（|⟩±|VH⟩)/√2态，测得CHSH-Bell不等式参数S=2.623±0.0017，违反局部实在论达366倍标准偏差。

核心结果

1. 理论计算与实验证实，3.75° YVO₄楔形棱镜可将空间走离补偿效率提升至最优，单计数增加7.8%。
   
2. 后补偿模块使时间走离导致的相位差△φ趋近于零，贝尔态可见度达98.5%以上。3. 系统在简化光路的同时表现出高稳定性，适用于多种纠缠源方案（如量子成像中的非共线相位匹配）。

结论与价值

该研究提出了一种分离式双折射走离补偿方案，兼具理论创新性与工程实用性：
- 科学：首次通过“预补偿-后补偿”分离设计同步解决空间与时间走离问题，为纠缠光子源的相位调控提供普适性方法。
- 应用价值：方案无需复杂光路调整，可直接集成于量子通信、计算及成像系统，推动光学量子技术的实用化进程。

研究亮点

1. 方法论创新：通过楔形棱镜预补偿空间走离与BBO晶体后补偿时间走离，实现“补偿分离”，突破传统单一补偿局限。
   
2. 高性能指标：贝尔不等式 violation值（S=2.623）和可见度（98.6%）均达国际领先水平。
   
3. 可扩展性：补偿晶体设计方法可适配不同波长、晶体类型及非共线相位匹配需求。
   

其他贡献

研究数据与理论模型已通过中国国家自然科学基金（15000601）支持开源共享，为后续优化纠缠光源提供了重要。