CN115004098A - 非烧蚀多光子和非线性过程中可替代脉冲激光的纠缠光子源 - Google Patents

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Abstract

一种相干纠缠光子源，在多光子非线性过程中使用连续波激光代替脉冲光子激发源。在各种实施例中，该装置包括产生特定频率和窄线宽的电磁辐射的连续波光子激光器。发射光束可以由光纤调节，以允许与非线性晶体的有效相互作用。非线性材料以特定方式设计和制造，使得具有明确定义的能量的单个光子的量子力学过程能够被转换成显示量子相关性的两个或更多个光子。非线性材料和随后的光纤或自由空间部件控制时间、空间和偏振相关的量子相关性，使得纠缠光子可以在多光子非线性过程中产生信号，该信号与脉冲光子源的信号相同或超过脉冲光子源的信号，但处于连续波激光器的平均功率和峰值功率。

Description

非烧蚀多光子和非线性过程中可替代脉冲激光的纠缠光子源
相关申请的交叉引用
本申请根据35 U.S.C.Section 119(e)要求由Scott K.Cushing、Szilard Szoke、Manni He和Bryce Hickam于2019年12月3日提交的名称为“AN ENTANGLED,CONTINUOUSWAVE,PHOTON SOURCE THAT CAN REPLACE A PULSED LASER IN NON-DESTRUCTIVE,MULTIPHOTON OR NONLINEAR OPTICAL DEVICES”(客户参考号CIT-8401-P)的共同未决和共同转让的序列号为62/942,806的美国临时专利申请的权益，该申请通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及纠缠光子源及其制造和使用方法。
背景技术
Ti：蓝宝石、Nd-YAG、基于染料和基于光纤的激光放大器以及其他脉冲激光源可以提供在kW/cm2至TW/cm2或更高范围内的峰值功率。脉冲宽度的范围从几飞秒到纳秒和更长。这种高功率激光器允许材料切割和图案化，从而驱动工业和医疗环境中的市场增长。相同的激光器还允许多光子非线性光谱、测量和成像，这在没有高峰值电场强度的情况下是不可能的。高峰值场强克服了多光子非线性过程的小横截面，小横截面被定义为将发生吸收或散射事件的概率的度量。脉冲激光还允许超快和时间分辨光谱，其中超快被定义为快于微秒的时间分辨率。非线性光谱学的应用范围从但不限于生物系统的多光子成像、量子系统的多光子超快控制、光学计算的提议、复杂全息显示器、信息存储装置和时间分辨或频闪测量。
虽然对于多光子非线性技术是必需的，但是当与单光子光谱学中通常使用的连续波激光器相比时，脉冲激光器具有不期望的因素。当与脉冲到连续波激光器相比时，脉冲激光器的不期望因素包括增加的维护、成本、电源要求、专门训练、样品破坏和烧蚀以及整体形状因子。所述因素限制了大多数多光子和非线性技术(成像或测量)的商业可行性和大规模应用，并且它们主要用于需要博士学位教育水平的专业实验室空间。相比之下，连续波二极管激光源的操作、维护、训练和形状因子现在接近家用灯的复杂性和功率要求，并且广泛用于商业线性光学应用，诸如光盘驱动器、吸收测量、条形码和医学治疗等。因此，期望具有可以执行非线性多光子光谱学但具有与连续波源相同的实现方式和较低强度的光子源。
光子之间的纠缠可以通过在任何光子自由度(诸如偏振、能量和动量等)中显示量子相关性的状态来表征。由于两个产生的光子源自单个母光子，因此守恒定律规定了与母光子相关联的原始量子数的保留。下转换光子必然是纠缠的，这意味着光子中的一个的任何测量性质允许肯定地预测另一个的对应性质。在数学上，纠缠状态被定义为两个或更多个波函数的量子力学叠加，使得组合波函数不可分解为两个或更多个单独波函数的乘积。
当两个或更多个纠缠光子参与光学过程(定义为光与物质的相互作用)时，它们的量子相关性可以使多个光子在时间有序的光-物质相互作用方面表现为单个母光子。因此，提出由纠缠光子和物质的时间有序相互作用引起的多光子事件的概率接近或等于单光子光学过程的概率。纠缠多光子非线性过程缩放为具有单光子横截面的单光子事件(线性)并且需要单光子型强度，而不是缩放为具有多光子横截面和多光子高峰值场强度的多光子相互作用(二次或更高)。在不使用脉冲激光的情况下，在纠缠光子之间产生的时间-光谱相关性也导致不同的时间或脉冲状特性。因此，纠缠连续波源可以代替多光子非线性光谱和脉冲激光独有的超快时间分辨光谱，而不是需要高峰值场强度的消融和破坏性方法。
纠缠光子光-物质相互作用的另一个含义是纠缠多光子过程可以以经典光子不能的方式与物质相互作用或在物质内产生量子相关性。这些量子相关性的变化产生了从物质中提取非经典信息的纠缠光子光谱。纠缠光子光谱可以包括量子位、多体状态或其他量子现象等之间的相互作用。纠缠光子之间的量子相关性还可以提供非傅里叶限制的光谱和时间分辨率，这对于经典光子源是不可能的。可以在纠缠状态创建期间或之后控制纠缠光子之间的量子相关性，以将时间分辨率从几飞秒改变为更长，其中光谱分辨率由连续波泵浦激光器的线宽给出。
例如，纠缠双光子过程已被测量为与入射功率成线性比例。Kimble等人显示了Cs中的纠缠双光子过程(Georgiades,N.P.,Polzik,E.S.,Edamatsu,K.,Kimble,H.J.andParkins,A.S.,1995.Nonclassical excitation for atoms in a squeezedvacuum.Physical Review Letters,75(19),p.3426.)。Teich等人示出了H2中的纠缠双光子过程(Fei,H.B.,Jost,B.M.,Popescu,S.,Saleh,B.E.and Teich,M.C.,1997.Entanglement-induced two-photon transparency.Physical Review Letters,78(9),p.1679.)。Silberberg等人在和频生成中示出了纠缠双光子过程(Dayan,B.,Pe’er,A.,Friesem,A.A.and Silberberg,Y.,2005.Nonlinear interactions with anultrahigh flux of broadband entangled photons.Physical Review Letters,94(4),p.043602.)。Goodson等人显示了在各种无机和有机分子中的两种光子吸收(Lee,D.I.andGoodson,T.,2006.Entangled photon absorption in an organic porphyrindendrimer.The Journal of Physical Chemistry B,110(51),pp.25582-25585.)。因此，已经证明纠缠双光子过程缩放为经典的单光子过程。这些实验都没有测量到与单光子过程的多光子横截面完全相等的多光子横截面，仅接近单光子过程的多光子横截面。
可以将多光子过程完全转换为单光子过程的纠缠光子源的完全实现尚未产生。尚未报道在测量中从纠缠光子的多于一个非经典方面受益的纠缠源的完全实现。在所有多光子非线性和时间分辨光谱学中可以代替脉冲激光器的纠缠源的完全实现尚未产生。这些失败起因于迄今为止纠缠光子光谱源中的以下问题：首先，测量的吸收截面总是低于相关的单光子吸收截面，因为没有实现纠缠光子状态的充分控制和纯度。其次，即使在所报道的纠缠多光子非线性截面的增强的情况下，由纠缠源产生的纠缠光子的通量使得平均而言，来自光谱的信号水平尚未接近或超过脉冲激光多光子非线性过程的信号水平。第三，由纠缠源产生的低通量的纠缠光子需要具有107光子/s的最大光子计数的高灵敏度单光子雪崩光电检测器，其对于现有技术来说小于10-12瓦特。与大众市场的光电二极管和CCD型光学相机相比，光电检测器技术是专门的且昂贵的。第四，几个飞秒测量和更高通量所需的宽带宽尚未应用于多光子光谱学，因为复杂的光谱、时间、相位和角色散使得难以与随后的光学操纵和测量技术连接。第五，先前报告中纠缠光子源的实现仍然涉及使用复杂、昂贵且科学上精确的光学干涉测量系统，以及用于生成通常依赖于脉冲激光的纠缠下转换光子对的非平凡光学设计原理。总之，这些限制阻碍了在多光子或非线性过程中使用纠缠光子作为脉冲激光的替代物的现实。因此，仍然需要用基于连续波的源代替脉冲激光器，该基于连续波的源将降低功率密度、成本、维护、训练需求和整体形状因子，同时允许与后续光学操纵和测量阶段的容易连接或容易多路复用以产生多于两个纠缠光子。本发明满足了这种需要。
发明内容
本公开描述了一种纠缠光子源及其制造和使用方法，该源包括在非线性材料中实现的波导，该非线性材料响应于连续波泵浦光子照射波导而输出纠缠光子。源和方法可以以许多方式体现，包括但不限于以下示例：
1.所述源，其中非线性材料包括沿所述波导中的所述泵浦光子的传播方向变化的空间变化的介电非线性磁化率，其中所述空间变化的介电非线性磁化率相位匹配所述泵浦光子和所述参数下转换的纠缠光子，以便定制或修整所述纠缠光子在多光子非线性过程中的相互作用并且用于使用所述多光子非线性过程的应用。
2.如示例1所述的源，其中所述空间变化的介电非线性磁化率被定制，使得所述纠缠光子包括模拟执行所述多光子非线性过程的一个或多个脉冲光子的时间-能量纠缠光子。
3.根据示例1或2所述的源，其中所述空间变化的介电非线性磁化率定制所述纠缠光子的量子相关性，使得它们在执行所述多光子非线性过程中充当脉冲光子。
4.根据示例1-3中任一项所述的源，其中：
所述多光子非线性过程包括由材料吸收或散射所述纠缠光子，并且
定制空间变化的介电非线性磁化率，使得纠缠光子被材料吸收或散射，其吸收或散射截面与材料的一个或多个光脉冲的一个光子线性过程的吸收或散射截面匹配。
5.根据示例1-4中任一项所述的源，其中所述纠缠光子使所述多光子非线性过程线性化。
6.根据示例1-5中任一项所述的源，其中：
所述非线性材料包括具有沿着所述传播方向的布置的多个区域，并且
沿着所述传播方向的两个相邻区域之间的所述区域中的每一个具有包括与所述两个相邻区域中的所述非线性磁化率的极性相比相反或异相的极性的所述介电非线性磁化率。
7.根据实施例6所述的源，其中所述区域中的每一个的布置、周期性、长度或所述波导的纵横比中的至少一个被定制以优化所述纠缠光子在执行多光子非线性过程中的效率。
8.如示例7所述的源，其中所述周期性包括多个周期性，使得所述纠缠光子具有模拟执行所述多光子非线性过程的脉冲光子的更宽带宽。
9.根据权利要求7所述的源，其中，所述长度在1mm至10cm的范围内。
10.根据权利要求6所述的源，其中：
所述波导包括图案化波导，所述图案化波导包括铁电材料或超材料，并且
两个相邻区域之间的每个区域具有介电非线性磁化率，该介电非线性磁化率包括与两个相邻区域的电极化180度异相的电极化。
11.根据示例1-10中任一项所述的源，其中所述波导包括图案化波导，所述图案化波导包括周期性极化的铁电材料。
12.根据示例1-11中任一项所述的源，其中所述空间变化的介电非线性磁化率使得响应于所述泵浦光子的场与所述非线性材料和真空场的自发参量下转换相互作用而产生所述纠缠光子，所述泵浦光子中的每一个被转换为包括两个或更多个下转换光子的所述纠缠光子。
13.根据示例1-12中任一项所述的源，其中所述非线性材料包括铌酸锂或磷酸钛氧钾(KTP)或钽酸锂。
14.根据示例中任一示例所述的源，其中所述波导不在谐振器中。
本公开还公开了一种装置，其包括如示例1-14中任一项所述的纠缠光子源。该装置可以以许多方式实施，包括但不限于以下方式。
15.一种装置，包括耦合到材料和/或源的检测器，用于检测材料对纠缠光子的响应，其中多光子非线性过程包括纠缠光子与材料的相互作用。
16.根据示例15所述的装置，其中所述装置是成像设备，并且所述检测器使用所述纠缠光子形成所述材料的图像。
17.根据权利要求15所述的装置，包括光谱装置，所述光谱装置使用所述纠缠光子执行所述材料的时间分辨光谱。
18.通信或计算系统，包括多个非线性元件，所述非线性元件耦合到根据示例1-14中任一项所述的纠缠光子源，使得所述非线性元件与所述纠缠光子相互作用。
20.一种装置，包括并联或串联连接的多个示例1-14中任一项所述的源；以及一或多个耦合器，其组合来自所述源中的每一者的所述纠缠光子以便形成多个纠缠光子的输出、所述纠缠光子的纠缠或所述纠缠光子的其它组合。
21.一种相干纠缠光子源，其在多光子非线性过程和时间分辨光谱学中使用连续波激光器代替脉冲光子激发源。该装置由连续波光子激光器组成，其产生特定频率和窄线宽的电磁辐射。发射光束由光纤调节，以便允许与非线性晶体的有效相互作用。非线性材料以特定方式设计和制造，使得具有明确定义的能量的单个光子的量子力学过程能够被转换成显示量子相关性的两个或更多个光子。这些“下转换的”光子的光谱在频率上跨越倍频程或更小。量子相关光子再次在输出处光纤耦合。非线性材料和随后的光纤或自由空间部件控制时间、空间和偏振相关的量子相关性，使得纠缠光子可以在多光子非线性和时间分辨过程中产生信号，该信号与脉冲光子源的信号相同或超过脉冲光子源的信号，但处于连续波激光器的平均功率和峰值功率。
22.一种使用连续波激光器和特别设计和制造的非线性光学晶体以及随后的光学器件有效产生宽带纠缠光子的方法。通过使用光纤元件来实现来自连续波泵浦激光器的光到晶体中的耦合。负责产生纠缠光子对的参量下转换过程发生在非线性光学材料上制造的啁啾、周期性极化纳米尺度波导中。然后，时间相关的纠缠光子对从波导耦合到光子晶体光纤中，光子晶体光纤在所产生的整个带宽上保持光子状态的单模空间分布。输出光纤可以直接耦合到一个或多个市售的分束器、偏振控制光学器件、光学滤波器和干涉仪，以及用于在与样品相互作用之前对量子光子的自由度进行无对准操纵的其他光学元件。对纠缠光子对的相对性质(诸如时间重叠、空间重叠、偏振和光谱调谐)的这种控制允许调谐影响最终样品相互作用的纠缠光子相关性。因此，可以使用平均功率和峰值功率低于脉冲激光器的连续波源来复制与脉冲激光系统相关联的非线性或多光子特性。整个形式的封装可以被复制和菊花链式连接，使得多个下转换波导被同时泵浦，以允许多于两个光子在高阶多光子非线性过程中纠缠。
23.本公开还公开了一种照射材料的方法，包括：
用来自源的纠缠光子照射所述材料，以便使用所述纠缠光子执行光谱、成像、通信或计算；以及
检测所述材料对所述纠缠光子的响应，其中所述源包括：
波导，所述波导包括非线性材料，所述非线性材料响应于连续波泵浦光子照射所述波导而输出纠缠光子；以及
所述非线性材料包括空间变化的介电非线性磁化率，所述空间变化的介电非线性磁化率包括沿着所述波导中的所述泵浦光子的传播方向变化的极性，所述空间变化的介电非线性磁化率相位匹配所述泵浦光子，并且所述相位匹配定制所述纠缠光子在执行多光子非线性过程中的效率，所述多光子非线性过程包括所述材料与所述纠缠光子的相互作用；并且其中所述相互作用包括所述纠缠光子被所述材料散射，并且所述纠缠光子使所述多光子非线性过程中的吸收线性化。
附图说明
现在参考附图，其中相同的附图标记始终表示相应的部分：
图1.包括波导和可能的变型的片上纠缠光子产生装置的示意图。
图2.在自由空间和光纤配置中绘制装置。
图3.纠缠光子频率相关性图显示由装置产生的纠缠电磁辐射表现出非经典的能量-时间相关性。
图4.一种双光子非线性光学过程，其匹配由根据本文所述的一个或多个示例的纠缠光子源组成的脉冲激光器，示出了各种分子的双光子纠缠吸收和横截面的线性，示出了本发明中描述的波导的输出光谱功率，并比较了来自将本发明与线性纠缠双光子吸收横截面组合的荧光强度。将来自相同入射功率密度的单光子和纠缠双光子过程的预期荧光强度与来自在经典双光子荧光过程中起作用的1W、70fs、80MHz经典激光的荧光强度进行比较。
图5.多波导同时泵浦方案
图6.N光子纠缠态的产生方案
图7.实验的一种实现包括根据本文描述的实施例的纠缠光子源以及用于测量或成像类型技术的后续光学器件和检测。
图8是示出根据一个或多个示例的制造纠缠光子源的方法的流程图。
图9是示出根据一个或多个示例的操作纠缠光子源的方法的流程图。
具体实施方式
在优选实施例的以下说明书中，参考形成其一部分的附图，并且其中通过图示的方式示出了可以实践本发明的特定实施例。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其他实施例，并且可以进行结构改变。
技术说明书
本发明描述了用使用连续波激光器供电的纠缠光子源代替非线性或多光子非破坏性应用中的脉冲激光器的各种配置。本发明提供了一种用于优化纠缠光子相关性的方法，使得纠缠光子过程在非线性或多光子光学过程中复制或超过脉冲激光系统，同时还能够探索非经典光子自由度。
图1示出了示例纠缠光子源，其包括波导并且包括响应于连续波泵浦光子照射波导而输出纠缠光子的非线性材料。所述非线性材料包括空间变化的介电非线性磁化率，所述空间变化的介电非线性磁化率包括沿着所述波导中的所述泵浦光子的传播方向变化的极性。空间变化的介电非线性磁化率相位与泵浦光子匹配，并且相位匹配定制纠缠光子在执行多光子非线性过程中的效率。
1.示例材料
在简单非线性光学晶体中产生纠缠光子依赖于双折射相位匹配(或另外也称为临界相位匹配)的概念，由此通过仔细调节输入光束相对于非线性材料的晶轴的传播角，使所有光子分量的传播常数总和为零。在诸如β-硼酸钡的非图案化材料中，纠缠光子的产生具有大约10-10至10-12的效率。这些方案在电磁辐射范围的宽带宽上受到相位匹配的限制，同时保持显著的纠缠光子产生效率。另外，双折射相位匹配对未对准(材料的接受角)具有高灵敏度，以及收集整个下转换通量的固有困难，使得在没有精确控制系统的情况下的实现成为障碍。
通过选择具有铁电性质的非线性材料，允许它们周期性地极化，可以实现显著的改进。这需要通过使用图案化电极施加强电场来形成周期性晶格，该强电场反转材料在选择区域中的域取向，从而也反转材料中有效非线性系数的方向。该域反转技术允许在非线性晶体内部仍然满足动量守恒，其中额外的动量贡献来自周期性结构。
由于周期性极化图案可根据人们期望用于参与该下转换过程的多个光子(泵浦-信号-空闲)的偏振组合来调节，因此可以利用材料的非线性张量的更强元素，从而增加下转换效率，导致高亮度源。此外，由于极化图案可以任意优化，因此可以设计在接近室温下操作的非线性材料，而不是在具有双折射相位匹配的情况下在高温状态下操作。此外，可以以任意方式定义极化图案，并且因此可以使相位匹配条件满足于各种各样的电磁辐射。这具体地通过设计具有纵向变化的极化周期的光栅来实现，使得现在在沿着非线性材料的不同点处补偿各种波长处的波矢失配。所产生的电磁辐射可以跨越但不限于带宽中的倍频程。此外，通过将电磁辐射限制为波导型几何形状，与10-10至10-12的非图案化示例相比，纠缠光子产生效率可以达到或超过10-7。这种设计的示意图在图1中示出。如图1所示，波导或片上设备在衬底(101)上创建，并且可以(102)部分地、完全地或不嵌入在这种衬底中。波导或片上设备本身可以以规则周期性或连续缓慢变化(啁啾)的周期性图案化。对于特定应用，在波导的总长度上用于最大化纠缠光子相互作用的更复杂的极化图案也是可行的。
当使用图案化材料时，与非图案化情况相比，材料的选择可以增加。当涉及量子频率转换应用时，铌酸锂(LN)是非常常见的材料选择，因为它具有相对低的矫顽场强(使得经由极化的域工程更容易)和极宽的透明窗口(350nm-5000nm)，这使得它对于各种应用是理想的。然而，LN的缺点是其相当低的光折射损伤阈值。尽管这仍然使其非常适合于功率电平通常低于100mW的应用。尽管从材料科学的观点来看，用5％-10％浓度的氧化镁(MgO)掺杂LN通过抑制材料中的晶粒生长而相当显著地增加了其功率处理能力，但是对于>1W泵浦功率水平，它仍然不是有效的选择。此外，LN在紫外电磁辐射范围内的透射率迅速下降。
在具有类似或更好性质的各种不同材料中，钽酸锂(LT)提供比LN更高的功率处理能力、更高的抗光折射效应性和更高的非线性系数的益处。它还具有比LN更低的矫顽场(1.7kV/mm)，这改善了周期性极化的质量，并且其透射窗口进一步延伸到UV波长范围内。
具体地，对于从406nm到812nm的频率转换的情况，LT中的准相位匹配条件能够通过三阶相位匹配(即，每三个电磁辐射的相干长度翻转偏振)来满足，其中基本极化周期K0为～9.8μm，这取决于材料的化学计量的变化。为了获得简并812nm波长周围的宽带宽可见/近红外纠缠光子通量，引入周期性结构的线性啁啾，由此晶体的中心被视为啁啾函数使相位匹配保持不变的点。在满足简并下变频的9.8μm极化周期附近约10％的变化可以将带宽扩展约500nm。通过改变极化周期、啁啾率和准相位匹配，可以将波导的中心波长从紫外范围改变到红外范围。
2.示例耦合方案
非图案化材料的纳米制造的可能性允许在整个片上系统中采用。通过更大程度地聚焦电磁辐射，可以增加发生下转换过程的效率，从而在每MW的基础上产生更明亮的纠缠光子源。此外，波导形状因子允许所产生的纠缠光子通量直接耦出到光纤或自由空间光学器件中。图2示出了图1中描述的波导或片上几何结构(201)可以使用自由空间光学器件(202)、光纤(203)或这两个极端之间的任何变型与电磁辐射耦合。从源到应用的光纤耦合防止了对光学系统的精细重新对准的需要，允许更紧凑和稳健的占用空间，并且允许源容易地用于多种应用。
3.示例设计规则
产生的纠缠光子的时间相关性可以从几飞秒变为更长。实现这一点的一种方式是使用自由空间光学器件和控制不同波长光子的到达时间的脉冲成形技术，诸如通过棱镜、光栅、反射镜、空间光调制器或非线性光学元件。另一种实施方式将利用光纤部件来实现相同水平的必要控制。使用这种方法，可以针对非线性或多光子过程优化由波导或片上材料产生的纠缠光子的时间和频率相关性(图3)。这可以通过上面列出的路线或当前光学技术的其他组合来实现。
为了定义负责产生纠缠光子对的波导的参数，以下设计规则优化了特定波长和带宽的下转换过程，同时保持其量子(即单光子/纠缠光子)行为以供随后在多光子非线性过程中使用：
1.极化周期性(即单位晶胞距离)Λ将通过准相位匹配条件Δk-2π/Λ＝ΔkQPM来计算，其中Δk＝kp-ks-ki，其中，用于泵浦、信号和空闲的每个k向量以其通常的形式k＝2π/λ来定义。为了找到给定SPDC波长组合的最佳值Λ，使用一些材料特定的温度相关的Sellmeier方程针对值Λ的范围绘制上述等式，然后进行数值评估以找到其根，其中ΔkQPM＝0。
2.波导的横截面尺寸应被选择成使得高阶传播模式被尽可能地抑制。通过减小波导的高度和宽度来强制仅激励基本波导模式用于双重目的。首先，高阶模式降低了由泵浦产生的SPDC通量并使光学耦合复杂化，从而导致输出和纯度的降低，因此在极端情况下限制了纳米光子实施方式相对于块状晶体的益处。其次，由于显著不同的色散特性，经由高阶模式产生的寄生纠缠光子仅作为噪声贡献于输出信号。此外，在输出处的纠缠光子的预期功率谱密度缩放为1/Ai，其中Ai是被定义为泵场、信号场和空闲场重叠的面积的相互作用面积。因此，传播模式的更严格限制导致更亮的发射。
3.波导的横截面尺寸也应根据所提出的输入泵浦功率来选择。光学模式的极其紧密的限制固有地导致高得多的局部功率密度，并且因此导致需要耗散的更大量的热量。纠缠光子的预期功率谱密度与泵浦功率P成线性比例，然而，来自横截面积Ai的功率耗散将是高度材料和几何形状特定的。可以使用数值热传递分析来探索在对结构的热损伤成为问题之前，可以将横截面尺寸的最小化推进多远。
4.通过考虑两个互连标准来选择波导的总长度。首先，在输出处的纠缠光子的预期功率谱密度缩放为L2，其中L是波导的总长度。因此，通过利用更长的结构可以显著增加发射强度。相反，预期功率谱密度也取决于乘法因子sinc2(ΔkL/2)。因此，较长的波导导致较窄的发射带宽。这种“双重”自变量也适用于具有啁啾的极化图案，因为当增加极化周期性的变化量用于加宽发射带宽时，每个光谱分量将较少地被光子填充，因此不太明亮。
5.根据待成像或测量的物质的最短退相干过程来选择引入极化周期性的啁啾量α，该啁啾量被定义为波导的开始和结束处的单位晶胞距离之间的百分比变化。与波导L的总长度一起，这两个参数设定了纠缠光子对的带宽，从而设定了光子之间的时间相关性。当时间和频率是共轭变量时，它们是傅里叶变换对偶。因此，时域中的定位固有地导致频域中的扩展，反之亦然。给定感兴趣的样品，应当优化由纠缠光子跨越的带宽，以便匹配激发态的最短退相干时间或用于使双光子跃迁能够发生的中间状态的寿命。为此，可以针对的值α的范围数值模拟下变频频谱，从中可以提取带宽和α之间的函数关系。然后可以选择合适的啁啾值，使得所生成的光谱对应于时域中的有效脉冲持续时间，其在样本特定量方面针对多光子非线性过程被优化。
4.纠缠光子源的示例应用和配置
a.吸收测量
使用这样的波导，更高的纠缠光子的效率和所产生的更大通量，连续波源可以用于复制或超过由脉冲激光驱动的非线性或多光子过程。例如，考虑图4中所示的纠缠双光子吸收。示出了在经典双光子成像中常用的代表性分子的纠缠双光子吸收的线性度(401)。可以清楚地看到多光子过程的线性。使用上述技术在自由空间、基于纤维或混合几何形状中进行测量以获得相同的结果。在多个连续波源(诸如连续波激光二极管和Ti：蓝宝石振荡器)上测试纠缠光子，以确认本发明如所描述的那样工作。对于所讨论的测量，如前所述，纠缠光子源被设计成以10-7或更高的效率产生以406nm为中心的纠缠光子。所得到的纠缠通量可以使用诸如集成在移动电话中的普通相机来测量，并且与先前的纠缠光子源不同，不需要专门的科学设备。纠缠通量对于眼睛是可见的，极大地促进了所包围的光学器件或应用的对准和操作。示出了如本发明中描述的示例纠缠光子源的光谱功率密度(402)。
还在科学文献中示出了针对各种代表性分子测量的纠缠双光子吸收截面的集合(403)。使用与所提出的发明不同的各种波导和非线性晶体来测量这些截面，但是这些截面被包括在内以证明线性纠缠双光子过程背后的基础科学的普遍性(A.Eshun,Z.Cai,M.Awies,L.Yu,T.Goodson,Investigations of Thienoacene Molecules for Classicaland Entangled Two-Photon Absorption,J.Phys.Chem.A 2018,122(41),8167–8182；A.R.Guzman,M.R.Harpham,
Figure BDA0003676288750000121
Süzer,M.M.Haley,T.G.Goodson,Spatial Control ofEntangled Two-Photon Absorption with Organic Chromophores,J.Am.Chem.Soc.2010,132(23),7840–7841；J.P.Villabona-Monsalve,O.Calderón-Losada,M.
Figure BDA0003676288750000122
Portela,A.Valencia,Entangled Two Photon Absorption Cross Section on the 808Nm Regionfor the Common Dyes Zinc Tetraphenylporphyrin and Rhodamine B,J.Phys.Chem.A2017,121(41),7869–7875；L.Upton,M.Harpham,O.Suzer,M.Richter,S.Mukamel,T.Goodson,Optically Excited Entangled States in Organic Molecules Illuminatethe Dark,J.Phys.Chem.Lett.2013,4(12),2046–2052；J.P.Villabona-Monsalve,O.Varnavski,B.A.Palfey,T.Goodson,Two-Photon Excitation of Flavins andFlavoproteins with Classical and Quantum Light,J.Am.Chem.Soc.2018,140(44),14562–14566；K.M.Parzuchowski,A.Mikhaylov,M.D.Mazurek,R.N.Wilson,D.J.Lum,T.Gerrits,C.H.Camp Jr.,M.J.Stevens,R.Jimenez,Setting Bounds on Two-PhotonAbsorption Cross-Sections in Common Fluorophores with Entangled Photon PairExcitation,2020,arXiv:2008.02664；D.Tabakaev,G.Haack,H.Zbinden,R.Thew,On theRole of Entanglement in Entangled Two-Photon Absorption MolecularSpectroscopy,2019,arXiv:1910.07346))。
将本发明的波导源与双光子吸收截面组合给出了纠缠双光子荧光强度，该纠缠双光子荧光强度在使用类似连续波源(404)的经典单光子过程的一个数量级内。还示出了由脉冲激光驱动的经典双光子荧光过程产生的荧光强度(404)。尽管处于纠缠光源的功率的超过一百万倍，但经典荧光小于纠缠光源。这是因为可以调谐波导或片上材料以在纠缠光子中产生时间相关性，该时间相关性与本发明中概述的双光子光吸收和荧光过程的时间尺度匹配。
b.串联和并联配置
与先前报道的相比，波导与紧凑的光纤封装一起的实现允许时间上匹配的相关时间、更高效率的纠缠通量的产生以及更紧凑的形状因子。当该技术在波导内串联或并联应用多次时(图5和6)，相同的技术将用于创建和应用多于两个纠缠光子，以在一个光子速率和横截面下复制三个或更多个光子非线性过程。
图5示出了使用光纤(502)的同时波导(501)泵浦方案。使用由一组级联的50：50光纤分束器(504)组成的1×N光纤分束器分配在输入光纤(503)中传播的来自激光器的光，以泵浦下转换波导阵列，每个下转换波导产生纠缠光子对。
图6示出了用于产生6光子纠缠GHz态的方案。承载泵浦光(601)的输入光纤连接到1×N光纤分路器(602)，以跨单个基板上的相同II型SPDC波导(603)的阵列重新分布光。使用1×2光纤偏振分束器(604)分离处于正交偏振状态的下转换的单光子。控制每个输出臂中的偏振和时间延迟(605)。这之后是在2×2光纤偏振分束器(606)上的复合，以使最初产生的光子对(1&2、3&4、5&6)纠缠。然后，使用另一对2×2光纤偏振分束器(607)分别在空间模式2'和3′以及4′和5′中纠缠光子对。
产生的纠缠光子可以应用于不需要材料破坏的任何多光子或非线性过程。因此，与脉冲源系统相比，本发明的实施例降低了复杂性，增加了信噪比水平，降低了成本，并且简化了维护和训练。要考虑的直接应用是但不限于多光子成像系统、光学存储器、光学计算机、光学显示器、光通信、量子光刻以及非线性过程的一般使用，其中脉冲激光的性质是技术限制的。
c.示例实验装置
可以使用本发明构建的一般实验装置(700)在图7中示出。两个或更多个光子的纠缠源(701)被耦合到一系列波导、分束器或控制时间、光谱、相位和振幅关系等的其他光学元件(702)中以用于实验。纠缠光子入射在样品(703)上，并且以相对于入射光束(704)的某个角度并且根据纠缠状态的任何操纵来检测吸收、透射、散射、反射或吸收。
5.工艺步骤
图8是示出根据一个或多个示例(也参考图1-7)的制造纠缠光子源的方法的流程图。
框800表示选择能够响应于连续波泵浦光子照射包括非线性材料或在非线性材料中实现的波导而输出纠缠光子的非线性材料，其中纠缠光子由泵浦光子的参数下转换(SPDC)形成。
框802表示设计非线性材料沿着包括泵浦光子在波导中的传播方向的方向(其中z是沿着传播方向的位置)的介电非线性磁化率χ(2)(z)的空间变化，使得空间变化的介电非线性磁化率相位匹配泵浦光子和参数地下转换的纠缠光子，介电非线性磁化率是指示材料响应于所施加的电场而经历的偏振程度的比例常数。在一个或多个示例中，χ(z)是二阶介电非线性磁化率或三阶介电非线性磁化率中的至少一个。在一个或多个示例中，空间变化的非线性磁化率由相邻区域103、104限定，每个相邻区域103、104包括具有非线性磁化率的不同取向的单位晶胞(第一区域103与第二区域104相邻)并且由单位晶胞距离Λ(例如，第一区域的中心C1与第二区域的中心C2之间的距离)分开。Λ是通过Δk-2π/Λ＝ΔkQPM的准相位匹配条件计算，其中Δk＝kp-kS-ki其中每个k向量以其通常的形式k＝2π/λ定义。在一个或多个示例中，设计包括通过使用一些材料特定的温度相关的Sellmeier方程绘制一系列值Λ的方程Δk-2π/Λ＝ΔkQPM来找到给定自发参数下转换(SPDC)波长组合的最佳值Λ，然后数值地找到方程的根,其中ΔkQPM＝0。在一个或多个示例中，空间变化的介电非线性磁化率具有一个或多个周期性和/或包括周期性极化。
框804表示选择波导的尺寸(长度L和宽度W)。
框806表示可选地为空间变化的非线性磁化率选择啁啾α。啁啾是波导的开始和结束处的单位晶格距离之间的百分比变化，并且与输出的纠缠光子的带宽相关联。在一个或多个示例中，该步骤包括针对的值α的范围数值模拟带宽，以便提取带宽和α之间的函数关系。在一个或多个示例中，该步骤还包括选择产生与纠缠光子的时间相关性相关联的带宽的啁啾，该时间相关性短于待成像或待测量的物质的最短去相干时间(使得纠缠光子在短于最短去相干时间的持续时间内相关)。在一个或多个示例中，根据波导的长度来选择啁啾。
框808表示制造包括尺寸和非线性材料的波导，所述非线性材料具有根据框800-806的步骤设计的空间变化的介电非线性磁化率(包括啁啾)。在一个或多个示例中，该步骤包括测试步骤，该测试步骤包括用泵浦光子泵浦波导以便形成纠缠光子，并且执行测量以确认纠缠光子具有用于参与具有最短去相干时间的优化的多光子非线性过程的期望的时间相关性。在一个或多个示例中，如果未实现期望的时间相关性，则在修改的情况下重复框800-808的步骤。
框810表示最终结果，即纠缠光子源。源可以以许多方式体现，包括但不限于以下方式(也参考图1-7)。
1.一种纠缠光子源100，包括：
波导106，其在非线性材料108中实现或包括非线性材料108，非线性材料108响应于连续波泵浦光子照射波导而输出纠缠光子701；以及
非线性材料包括沿着波导中的泵浦光子的传播方向110(沿着长度L)的空间变化的介电非线性磁化率χ(z)，其中空间变化的介电非线性磁化率χ(z)相位匹配泵浦光子和参数下转换的纠缠光子，其中z是沿着传播方向的位置。在一个或多个示例中，空间变化的介电非线性磁化率使得能够(例如，最佳有效地)生成参与(例如，优化的)多光子非线性过程的纠缠光子。在一个或多个另外的示例中，空间变化的介电非线性磁化率χ(z)相位匹配泵浦光子和参数下转换的纠缠光子，以便在多光子非线性过程中定制或定制纠缠光子的相互作用，并且用于多光子非线性过程的应用(成像设备应用、光谱应用、通信系统应用、计算应用)。在一个或多个另外的示例中，空间变化的介电非线性磁化率χ(z)相位匹配泵浦光子和参数下转换的纠缠光子，以便产生纠缠光子的时间相关性，该时间相关性短于发生多光子非线性过程的材料的最短去相干时间(使得纠缠光子在短于材料的最短去相干时间的持续时间内相关)。
2.根据示例1所述的源，其中空间变化的介电非线性磁化率被定制，使得纠缠光子701是时间-能量纠缠的，被定义为光子对，所述光子对经由与它们各自的频率或到达时间的测量相关联的降低的不确定性而显示出强相关性，并且模拟执行多光子非线性过程的一个或多个脉冲光子。
3.根据示例1或2所述的源，其中空间变化的介电非线性磁化率定制纠缠光子701的量子相关性，使得它们在执行多光子非线性过程中充当脉冲光子。
4.如实施例1、2或3所述的来源，其中：
多光子非线性过程包括由材料703吸收或散射纠缠光子，并且
空间变化的介电非线性磁化率被定制，使得纠缠光子701被材料703吸收或散射，其中吸收或散射截面与材料703的一个或多个光脉冲的一个光子线性过程的吸收或散射截面相匹配。
5.如实例1、2、3或4所述的源，其中所述纠缠光子使所述多光子非线性过程线性化。
6.根据示例1-5中任一项所述的源，其中：
非线性材料包括具有沿着传播方向110的布置的多个区域103、104，
空间变化的介电非线性磁化率包括沿传播方向110变化的极性112，
沿着传播方向110的两个相邻区域104之间的每个区域103具有与两个相邻区域104中的极性112相比相反或异相的极性112。
7.根据示例1-6中任一项所述的源，其中每个区域的布置116、周期性118、长度120或波导的纵横比(宽度w除以高度h)中的至少一个被定制以优化纠缠光子在执行多光子非线性过程中的效率。
8.如示例7所述的源，其中所述周期性包括多个周期性，使得所述纠缠光子具有模拟执行所述多光子非线性过程的脉冲光子的更宽带宽。
9.如实施例7所述的源，其中长度L在1mm至10cm的范围内。
10.根据示例1-9中任一项所述的源，其中：
波导100包括图案化波导，该图案化波导包括非线性材料，该非线性材料包括铁电材料或超材料，并且
两个相邻区域104之间的每个区域103具有介电非线性磁化率χ(z)，该介电非线性磁化率χ(z)包括与两个相邻区域104的电极化P异相180度的电极化P。
11.根据示例1-10中任一项所述的源，其中波导100包括图案化波导，所述图案化波导包括非线性材料，所述非线性材料包括周期性极化的铁电材料。
12.根据示例1-11中任一项所述的源，其中所述空间变化的介电非线性磁化率使得响应于所述泵浦光子的场与所述非线性材料和真空场的自发参量下转换相互作用而产生所述纠缠光子701，所述泵浦光子中的每一个被转换为包括两个或更多个下转换光子的所述纠缠光子。
13.根据示例1-12中任一项所述的源，其中所述非线性材料包括铌酸锂或磷酸钛氧钾(KTP)或钽酸锂。
14.根据示例1-13中任一项所述的源，其中波导100不在谐振器中。
框812表示可选地将纠缠光子源耦合到另一设备(例如，检测器705、另一纠缠光子源100或非线性元件)，以便形成装置。
框814表示可选的最终结果，装置700包括耦合到检测器的波导。
框816的装置可以以许多方式体现，包括但不限于以下方式。
15.一种装置700，包括：
根据示例1-14中任一项所述的纠缠光子源；以及
检测器705，其检测材料对纠缠光子的响应，其中多光子非线性过程包括纠缠光子与材料的相互作用。
15.根据权利要求700所述的装置，其中，所述装置是成像设备，并且所述检测器705使用所述纠缠光子形成所述材料的图像。
16.根据示例14所述的装置700，包括使用纠缠光子701执行材料703的时间分辨光谱的光谱装置。
17.一种装置，包括：
通信或计算系统，包括耦合到示例1-14中任一项的纠缠光子源的多个非线性元件，使得非线性元件与纠缠光子701相互作用。
19.一种装置，包括：
并联或串联连接的示例1-14中任一项的多个源100、603；以及
耦合器606组合来自每个源的纠缠光子，以便形成多个纠缠光子的输出、纠缠光子的纠缠或纠缠光子的其他组合。
20.示例1-19中任一项的源耦合到光纤系统502，光纤系统502将泵浦光子耦合到波导100中。
操作方法
图9示出了一种照射材料的方法，包括以下步骤。
框900表示用来自源的纠缠光子照射材料，以便使用纠缠光子执行光谱、成像、通信或计算。
框902表示检测材料对纠缠光子的响应，其中源包括：
波导，所述波导包括非线性材料，所述非线性材料响应于连续波泵浦光子照射所述波导而输出纠缠光子；以及
所述非线性材料包括空间变化的介电非线性磁化率，所述空间变化的介电非线性磁化率包括沿着所述波导中的所述泵浦光子的传播方向变化的极性，所述空间变化的介电非线性磁化率相位匹配所述泵浦光子，并且所述相位匹配定制所述纠缠光子在执行多光子非线性过程中的效率，所述多光子非线性过程包括所述材料与所述纠缠光子的相互作用；并且其中所述相互作用包括所述纠缠光子被所述材料散射，并且所述纠缠光子使所述多光子非线性过程中的吸收线性化。
6.定义
如本文所用的术语“连续波源”通常是指电磁辐射源，其范围可以从紫外辐射到红外辐射，所提供的辐射在空间和时间上显示相干性并且在其输出强度上是连续的。
术语“脉冲激光器”是指电磁辐射源，其范围可以从紫外辐射到红外辐射，对于该电磁辐射源，所提供的辐射在多个光子的时间脉冲波包中是相干的。
术语“纠缠光子”被定义为两个或更多个波函数的基于光子的量子力学叠加状态，使得组合波函数不能分解为两个或更多个单独波函数的乘积。
术语“波导”被定义为在非线性材料上制造的光子部件，其能够经由自发参数下转换过程产生光子对，光子对彼此纠缠，从而在其光子自由度中显示量子相关性。波导利用电磁辐射的限制来增强过程的相互作用强度，并且被电图案化，以便在特定输入泵浦频率下使参数下转换过程的效率最大化。
多光子非线性过程被定义为包括光谱和成像技术，其中技术成功需要多于一个光子，但不包括非线性激光应用，其中激光的高峰值激光功率用于烧蚀或破坏材料以产生效果。
7.参考文献
本说明书涉及通过引用并入本文的许多出版物。
8.结论
这结束了本发明优选实施例的说明书。出于说明和说明书的目的，已经呈现了本发明一个或更多个实施方案的前述说明书。其并非旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。根据上述教导，许多修改和变化是可能的。本发明的范围不受该详细说明书的限制，而是受所附权利要求的限制。

Claims (20)

1.一种纠缠光子源，包括：
波导，所述波导在非线性材料中实现，所述波导响应于连续波泵浦光子照射所述波导而输出纠缠光子；以及
所述非线性材料包括沿所述泵浦光子在所述波导中的传播方向变化的空间变化的介电非线性磁化率，其中所述空间变化的介电非线性磁化率相位匹配所述泵浦光子和参数下转换的纠缠光子，以便定制或修整所述纠缠光子在多光子非线性过程中的相互作用并且用于使用所述多光子非线性过程的应用。
2.根据权利要求1所述的源，其中所述空间变化的介电非线性磁化率被定制，使得所述纠缠光子包括模拟执行所述多光子非线性过程的一个或多个脉冲光子的时间-能量纠缠光子。
3.根据权利要求1所述的源，其中所述空间变化的介电非线性磁化率定制所述纠缠光子的量子相关性，使得所述纠缠光子在执行所述多光子非线性过程时充当脉冲光子。
4.根据权利要求1所述的源，其中：
所述多光子非线性过程包括由材料吸收或散射所述纠缠光子，并且
空间变化的介电非线性磁化率被定制，使得纠缠光子被材料吸收或散射，其吸收或散射截面与材料的一个或多个光脉冲的一个光子线性过程的吸收或散射截面匹配。
5.根据权利要求1所述的源，其中所述纠缠光子使所述多光子非线性过程线性化。
6.根据权利要求1所述的源，其中：
所述非线性材料包括具有沿着传播方向的布置的多个区域，并且
沿着所述传播方向的两个相邻区域之间的所述区域中的每一个具有包括与所述两个相邻区域中的非线性磁化率的极性相比相反或异相的极性的介电非线性磁化率。
7.根据权利要求6所述的源，其中所述区域中的每一个的布置、周期性、长度中的至少一个或所述波导的纵横比被定制以优化所述纠缠光子在执行多光子非线性过程中的效率。
8.根据权利要求7所述的源，其中所述周期性包括多个周期性，使得所述纠缠光子具有模拟执行所述多光子非线性过程的脉冲光子的更宽带宽。
9.根据权利要求7所述的源，其中，所述长度在1mm至10cm的范围内。
10.根据权利要求6所述的源，其中：
所述波导包括图案化波导，所述图案化波导包括铁电材料或超材料，并且
两个相邻区域之间的每个区域具有介电非线性磁化率，该介电非线性磁化率包括与两个相邻区域的电极化180度异相的电极化。
11.根据权利要求1所述的源，其中，所述波导包括图案化波导，所述图案化波导包括周期性极化的铁电材料。
12.根据权利要求1所述的源，其中所述空间变化的介电非线性磁化率使得响应于所述泵浦光子的场与所述非线性材料和真空场的自发参数下转换相互作用而产生所述纠缠光子，所述泵浦光子中的每一个被转换为包括两个或更多个下转换光子的纠缠光子。
13.根据权利要求1所述的源，其中，所述非线性材料包括铌酸锂或磷酸钛氧钾(KTP)或钽酸锂。
14.根据权利要求1所述的源，其中所述波导不在谐振器中。
15.一种装置，包括
根据权利要求1所述的纠缠光子源；以及
检测器，所述检测器检测材料对所述纠缠光子的响应，其中所述多光子非线性过程包括所述纠缠光子与材料的相互作用。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述装置是成像设备，并且所述检测器使用所述纠缠光子形成所述材料的图像。
17.根据权利要求15所述的装置，包括光谱装置，所述光谱装置使用所述纠缠光子执行所述材料的时间分辨光谱。
18.一种装置，包括：
通信或计算系统，包括多个非线性元件，所述非线性元件耦合到权利要求1所述的纠缠光子源，使得所述非线性元件与所述纠缠光子相互作用。
19.一种装置，包括：
并联或串联连接的多个根据权利要求1所述的源；以及
一个或多个耦合器，其组合来自所述源中的每一者的纠缠光子以便形成多个纠缠光子的输出、所述纠缠光子的纠缠或所述纠缠光子的其它组合。
20.一种照射材料的方法，包括：
用来自源的纠缠光子照射所述材料，以便使用所述纠缠光子执行光谱、成像、通信或计算；以及
检测所述材料对所述纠缠光子的响应，其中所述源包括：
波导，所述波导包括非线性材料，所述波导响应于连续波泵浦光子照射所述波导而输出纠缠光子；以及
所述非线性材料包括空间变化的介电非线性磁化率，所述空间变化的介电非线性磁化率包括沿着所述泵浦光子在所述波导中的传播方向变化的极性，所述空间变化的介电非线性磁化率相位匹配所述泵浦光子，并且所述相位匹配定制所述纠缠光子在执行多光子非线性过程中的效率，所述多光子非线性过程包括所述材料与所述纠缠光子的相互作用；并且其中所述相互作用包括所述纠缠光子被所述材料散射，并且所述纠缠光子使所述多光子非线性过程中的吸收线性化。
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