В Институте прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН (Нижний Новгород) предложен новый метод повышения чувствительности оптических интерферометров. Метод основан на использовании квантового сжатого света в специальной схеме, которая может быть сделана простой, надёжной 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.

(а) Общая схема интерферометра с квантовым керровским сжатием, состоящая из генератора сжатого света и измерительной части, (б) схема демонстрационного эксперимента на основе поляризационного интерферометра

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 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.

Повышение чувствительности интерферометра: полезный сигнал и уровень шума без квантового сжатия (красная кривая) и с квантовым сжатием (зелёная кривая)

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). Результаты работы опубликованы в журналах Advanced Quanum Technologies, Nanophotonics и Optical Express.

Источник: «Научная Россия».