导读

1985年，美国贝尔实验室Slusher等人采用四波混频首次实验观测到-0.3 dB的压缩态光场；1986年，Kimble小组采用光学参量振荡技术实现了-3.5 dB的压缩态光场制备，由此开启了压缩态光场理论与实验制备及其应用的研究热潮。经过40年的发展，人们逐渐发展了多种压缩态光场实验制备技术，并开展了压缩态光场在精密测量、量子成像和量子信息等领域的应用研究。2010年，德国马克思·普朗克研究所采用基于晶体材料的光学参量振荡器首次实现了-10 dB的压缩真空态；2016年，又将压缩度提高至-15 dB。国内，山西大学光电研究所于1990年代开始了光场量子态的研究工作，经过三十年的发展，于2019年将压缩度提升至-13.8 dB。然而，上述压缩态光场均为压缩真空态，功率通常＜100 μW量级；同时，受限于kHz-MHz频段技术噪声的耦合问题，压缩光的“功率-噪声-带宽”相互制约，低频明亮压缩光的制备面临着巨大挑战，这就限制了压缩光在生物检测、量子增强光力传感和量子等离激元传感等量子精密测量领域的应用。近日，光量子技术与器件全国重点实验室、山西大学光电研究所郑耀辉教授、王雅君教授及李瑞鑫博士团队提出非经典混合型主被动功率稳定新方案，同时拓展了压缩功率和带宽，首次实现了毫瓦量级、kHz-MHz频段明亮压缩光的实验制备，在量子精密测量前沿研究领域具有广阔的应用前景。相关研究成果以“Bright squeezed light in the kilohertz frequency band”为题发表于国际顶尖学术期刊《Light：Science & Applications》。

研究背景

压缩光是一种具有亚散粒噪声特性的光场量子态，在量子计量、量子通信和精密测量等领域具有重要应用价值。相比功率极低的压缩真空态光场，明亮压缩光不仅具有亚散粒噪声特性，还兼顾了较高光功率输出，是量子传感-精密测量的核心量子资源。

在激光传感实际应用中，多种测试环境条件要求激光工作在较低的功率水平，如：高功率激光会造成生物成像和医学诊断中样品损伤，激光光纤通信和时钟同步中的非线性效应，以及卫星和机载平台的载荷限制等。同时，高功率激光会引入额外技术噪声，降低系统的测量灵敏度，例如等离子体传感、激光多普勒测速等场景。在生物跟踪、微悬臂梁位移测量、光机械耦合等应用中，要求用于测量的压缩光具有kHz–MHz压缩带宽和毫瓦量级光功率输出。然而，现有低频压缩光大多为压缩真空态，功率极低，无法满足上述应用需求。

光学参量放大（Optical Parametric Amplifier，OPA）是实现高压缩度明亮压缩光的主要方案，但在OPA腔内，泵浦光低频技术噪声会传递至压缩光，从而导致直接制备kHz 频段的明亮压缩光极具挑战性。现有报道中，通过将明亮光场与压缩真空在分束器上进行干涉耦合，成功制备出明亮压缩态光场。然而，这种被动干涉法实现的前提是获得一束理想的相干光，即激光在应用频段需达到散粒噪声极限；同时，分束器的真空端会引入额外量子噪声，这就限制了压缩光功率和压缩度指标的提升，目前报道的指标仅为25 μW、-2.6 dB@2-200 kHz。为了补偿被动干涉法存在的问题，科研人员提出非经典主动反馈法有效抑制了低频技术噪声，并补偿了分束器引入的真空噪声，但受制于控制环路增益–带宽之间的矛盾，无法兼顾大压缩带宽与较高输出功率。

因此，同时实现较高功率（mW级）、大带宽（kHz–MHz）与高压缩度的明亮压缩光输出存在着极大的技术瓶颈。要突破这一瓶颈，必须在噪声抑制、带宽拓展和功率提升之间找到新的解决途径。

研究亮点

本文提出了一种非经典混合型主被动功率稳定新策略：利用被动宽频带噪声抑制特性极大地拓展了主动反馈噪声抑制的控制带宽，从而将非经典稳定方案制备的明亮压缩光的压缩带宽从50 kHz拓展至了MHz频段，如图1和图2所示。原理上，这种混合型抑噪技术，有效解决了控制环路增益–带宽之间的矛盾，使高功率、大带宽、高压缩度明亮压缩光的制备成为可能。通过建立完备、统一的理论模型，揭示了明亮压缩光制备主要受限于系统的技术噪声和量子噪声，即在非经典主动功率稳定方案中，外环输出光束的技术噪声主要由反馈回路内残余技术噪声、光电探测器电子学噪声及量子噪声惩戒共同决定。该理论模型可直接用于优化实验参数与条件，为提升明亮压缩光的功率和带宽拓展提供了有效的支撑，如图2所示。

图1： (a) 产生明亮压缩光的策略 (b) 技术噪声和散粒噪声对比。

图2：(a) 技术噪声和 (b) 明亮压缩理论模拟。

实验中，将研究团队发展的二次谐波产生（second harmonic generation，SHG）过程宽带被动功率稳定与高环路增益的主动功率稳定技术有机结合，构建了环路增益高达 80 dB 的新型双级混合式功率噪声抑制系统，大幅降低了主动反馈环路对高增益的依赖，成功地将反馈环路带宽拓展至 MHz频段。该方案将激光在 kHz 频段的技术噪声从 –122 dB/Hz 降至 –165 dB/Hz，比 1 mW 光功率对应的散粒噪声低 9 dB，最终实现了 –5.5 dB、1 mW、kHz–MHz的高压缩度、大带宽明亮振幅压缩光输出，如图3所示。实验结果与理论预测结论一致，验证了该方案的可行性与有效性。此外，被动稳定的光束来自于倍频腔反射的基频光，属于压缩光制备单元的一部分，无需额外激光功率，从而显著提高了功率利用效率和系统集成度。

图3：非经典被-主动混合抑噪制备1mW明亮压缩光测量结果。

总结与展望

本研究提出非经典混合型主被动功率稳定新技术，有效解决了低频段明亮压缩光的功率与带宽之间的矛盾，成功实现了mW级、kHz–MHz大带宽明亮压缩光的实验制备。研究团队建立了完备、统一的理论模型，预测了该方法在提升压缩功率和带宽方面的优势，为明亮压缩光指标的进一步提高提供了支撑。这一核心量子资源有望在生物成像、量子传感和微纳光机械测量等领域发挥重要作用，并推动下一代量子增强技术的发展。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02013-7