近日，山西大学光量子技术与器件全国重点实验室、光电研究所在kHz频段明亮压缩光的制备与量子噪声抑制方面取得重要进展，研究团队提出非经典混合式主被动功率稳定新方案，首次在实验上实现了毫瓦级、kHz–MHz宽频段的明亮振幅压缩光。相关研究成果以“Bright squeezed light in the kilohertz frequency band”为题发表于Light: Science & Applications（IF：23.4）。博士生李瑞鑫为论文第一作者，王雅君教授和郑耀辉教授为通讯作者。其中，陈力荣副教授，博士生焦南婧、安炳南，硕士生刘骏杨共同参与了本项工作。
在量子传感的实际应用中，生物成像、医学诊断、光纤通信和等离子体传感等多种场景都要求激光工作在较低功率，以避免样品损伤、非线性效应或额外噪声。与此同时，生物跟踪、微悬臂梁位移检测和光机械耦合等应用却对压缩光提出了更高要求——需同时具备kHz–MHz宽频段和毫瓦级光功率输出。现有的低频压缩光主要是压缩真空态，功率极低（微瓦量级），难以满足上述前沿应用需求。当前，高压缩度明亮压缩光制备的主要技术是光学参量放大器（Optical Parametric Amplifier，OPA），然而泵浦光kHz低频段严重的技术噪声会伴随着非线性相互作用过程下转换至信号光（压缩光），导致光学参量技术无法直接产生kHz频段明亮压缩光。随后，研究者提出线性耦合制备高功率低频压缩光的方案，即将压缩真空与明亮激光场在分束镜上干涉耦合。但该方法实施的前提是耦合激光场自身的技术噪声需远低于散粒噪声极限，同时干涉耦合还伴随着分束镜损耗引入的额外真空噪声，两种效应的叠加导致压缩度指标提升受限。在此基础上，非经典主动反馈控制方案被提出，在大幅抑制技术噪声的同时可补偿真空噪声对压缩度的恶化。然而，环路增益与带宽之间的固有矛盾导致无法兼顾宽频带和高功率输出。因此，在kHz–MHz频段同时实现高功率、高压缩度的明亮压缩光输出一直以来面临着严峻的技术挑战。要推动该技术在量子精密测量与传感中的应用，亟需在噪声抑制、带宽拓展与功率保持之间寻求新的技术途径。
研究团队提出了非经典混合式主被动功率稳定新方案，有效打破了kHz频段明亮压缩光制备中输出功率与压缩带宽之间的矛盾，同时结合建立的完整理论模型，为提升压缩功率和带宽指标提供了实验和理论支撑。团队将先前发展的基于频率上转换的kHz-MHz宽带被动功率稳定技术与非经典主动稳定技术相结合，实现了环路增益高达80 dB的振幅噪声抑制，显著降低了对高增益主动反馈的依赖，成功将功率稳定带宽拓展至MHz以上。实验中，kHz频段激光技术噪声从–122 dB/Hz抑制到–165 dB/Hz，最终完成了压缩度为-5.5 dB、输出功率为1 mW的kHz–MHz宽频带明亮振幅压缩光输出。这是毫瓦级、kHz–MHz宽频带明亮压缩光源的首次实验实现，为精密测量、生物成像及量子传感等领域提供了新的量子资源，并为下一代量子增强技术的发展奠定了基础。
该研究得到国家自然科学基金杰出青年科学基金项目、国家重大科研仪器研制项目、国家自然科学基金联合基金集成项目、国家自然科学基金面上和国家重点研发计划项目的支持。（通讯员：张颖）
