Сверхчувствительные измерения на основе «сжатого» света

В ИПФ РАН предложен новый метод повышения чувствительности оптических интерферометров. Метод основан на использовании квантового сжатого света в специальной схеме, которая может быть сделана простой, надежной и компактной благодаря использованию волоконных световодов, в отличие от ранее предлагавшихся схем на основе объёмных оптических элементов.

Оптические интерферометры используются для измерения сверхмалых перемещений и вибраций в точных измерительных приборах, для исследования свойств тонких оптических покрытий, а также в сверхчувствительных астрономических инструментах, таких как детекторы гравитационных волн.

Ограничения чувствительности интерферометров определяются влиянием квантового шума света, которое становится заметным при переходе к суб-нанометровым масштабам. Преодолеть эти ограничения можно только с использованием неклассического света, в частности, квантового сжатого света, квантовый шум которого при некоторых условиях может быть существенно меньше, чем шум наиболее стабильных лазеров.

Возможность применения сжатого света для повышения чувствительности интерферометрических измерений достаточно хорошо известна в квантовой оптике. Но для практически значимых реализаций необходим простой и недорогой источник сжатого света. До сих пор в интерферометрах использовались громоздкие, сложные в настройке и дорогостоящие источники сжатого света на основе параметрических кристаллов.

Сотрудники ИПФ РАН предложили использовать разработанный ими генератор сжатого света на основе волоконных световодов и создали новую схему интерферометра, которая совместима с данным генератором. С помощью нескольких оригинальных решений, использующих свойства специальных нелинейных оптических волокон, сохраняющих поляризацию, а также преобразователей поляризации сжатого света удалось построить стабильную, надёжную и компактную схему. В тестовом эксперименте было продемонстрировано увеличение чувствительности интерферометра в 2,5 раза по сравнению со стандартным квантовым пределом.

Результаты работы носят фундаментальный характер. В перспективе на основе данного метода возможно создание компактных интегральных оптических схем для сверхчувствительного измерения малых перемещений и вибраций в микромеханических устройствах. Также изучаются возможности применения данного метода в детекторах гравитационных волн.

Финансовая поддержка исследования:
Минобрнауки в рамках Мегагранта «Квантовые эффекты в сильно локализованных интенсивных лазерных полях» (соглашение № 075-15-2021-633),
НЦМУ «Центр фотоники» (соглашение № 075-15-2022-316), РФФИ (грант № 19-29-11032).

Публикации:

1. N. Kalinin, T. Dirmeier, A. A. Sorokin, E. A. Anashkina, L. L. Sánchez-Soto, J. F. Corney, G. Leuchs, and A.V. Andrianov. Observation of Robust Polarization Squeezing via the Kerr Nonlinearity in an Optical Fiber // Adv. Quantum. Tech. 6, 2200143 (2023).
2. N. Kalinin, T. Dirmeier, A. A. Sorokin, E. A. Anashkina, L. L. Sánchez-Soto, J. F. Corney, G. Leuchs, and A.V. Andrianov. Quantum-enhanced interferometer using Kerr squeezing // Nanophotonics 12, 2945–2952 (2023).
3. A.V. Andrianov, N.A. Kalinin, A.A. Sorokin, E.A. Anashkina, L.L. Sánchez-Soto, J.F. Corney, and G. Leuchs, Optimizing the generation of polarization squeezed light in nonlinear optical fibers driven by femtosecond pulses // Opt. Express 31, 765 (2023).