带周期性极化的准相位匹配

产生纯粹的非经典光状态是光量子信息科学最重要的目标之一。自发参量下变频（SPDC）是产生这种状态的一种常用且多用途的光源，它是一种非线性过程，即泵浦光束击中非线性晶体并产生成对的低能量光子。事实上，在过去几十年中，SPDC 已被广泛用于产生预示单光子和纠缠光子对，并被用于量子通信和量子计量等应用。

如图 1a 所示，要使 SPDC 过程有效，能量和动量都必须保持不变。在没有色度色散的理想情况下，相位匹配的作用微乎其微，因为频率和波矢量仅仅是光速因子的关系。然而，实际光学材料会出现色度色散现象，即折射率随波长而变化，从而导致波向量不匹配 Δk_z。

克服波矢失配的一种方法是利用不同极化的相位累积差异，这种方法被称为双折射相位匹配 。在这一技术中，泵浦光子和生成光子的偏振选择要使这一效应能够补偿色度色散。

早在 1962 年就有人提出了第二种流行的技术，即准相位匹配技术。这种技术通过将晶体分割成多个畴来解决失配问题，其中交替的畴具有符号相反的非线性系数（图 1b）。这种技术可以通过相位图来理解（图 1c）。波矢量失配会导致不同的相位累积，在有限的传播距离之后，它们将开始产生破坏性干扰。通过准相位匹配，可以选择域周期Λ，这样当过程到达破坏性干涉区域时，相位的符号就会翻转，从而使过程继续建设性地发展。

图 1. (a) 要使 SPDC 过程有效，能量和动量必须保持不变。(b) 非线性的周期性极化可以补偿波矢失配。(c) 有相位匹配和无相位匹配时过程累积的相位图。

有趣的是，直到 20 世纪 80 年代中期，这种技术才在实验中广泛应用[4]，使用周期性轮询。这是因为创建这种畴具有挑战性，通常需要使用铁电畴工程[5]。这包括通过晶体表面的图案化电极向铁电晶体施加强电场。这种强电场会改变电极下的晶体取向，从而扭转其非线性系数的符号。对大孔径晶体和小极化周期进行周期极化尤其具有挑战性。

准相位匹配的优点是可以使用非线性系数更强的材料，避免空间偏移，并且不增加对不同场极化的要求。另一个优点是，通过调整极化周期，可以控制不同的 SPDC 参数。

使用不同的极化周期可以决定发生的是 0 型还是 II 型过程。0 型过程，即泵浦和产生的两个光子具有相同的偏振，由于其对生成率高，可能是理想的过程。不过，它对温度变化相对敏感，而且带宽较大。在 II 型过程中，产生的两个光子具有正交偏振，光谱较窄，但过程往往较弱。

在选择晶体结构之前，了解具体应用和所需的优越性是非常重要的。例如，重要的衡量标准是总通量吗？还是每纳米波长的总通量？空间纠缠是所需的特征还是需要避免的？根据具体应用，不同的泵浦光束配置、晶体尺寸、温度和极化周期可能是最合适的。

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