超短等效波长的等倾干涉

导言

干涉是表征光的波动性的基本方式之一，具有广泛的应用场景。迈克尔逊干涉仪是一种常用的干涉仪，利用它可以观测光的等倾和等厚干涉条纹，历史上著名的迈克尔逊-莫雷实验和引力波探测使用的就是这种干涉仪。近日，中国科学技术大学史保森教授和周志远副教授团队利用迈克尔逊干涉仪演示了一种角谱相关的单光子干涉，与传统等倾干涉相比，干涉条纹出现的速度随干涉仪臂差的变化要快得多。

图1 自发参量下转换产生发散角依赖波长的光子

原理

在他们的干涉仪中所使用的光子是通过二阶非线性晶体中的自发参量下转换过程产生的。基于该过程，一个泵浦光子以一定的几率产生一对具有非经典关联光子。该技术是目前最成熟的制备纠缠光子源的方法，在量子信息、量子光学等领域被广泛应用。在这项工作中，研究人员利用的是该过程中所产生的单个光子的特殊光谱性质：如图1所示，从晶体中产生的光子有较大的发散角，并且光子的波长随着发散角的增加而减小。将该光子输入到迈克尔逊干涉仪中，将会产生等倾干涉条纹。图2以平行平板的干涉为例展示了干涉的原理：尽管不同发散角的光线经过透镜准直并经过平行平板后光程差是相同的，但由于波长不同因而相位差不同，而不同的相位差会形成不同的相长或相消干涉，最后展现在观测面上的干涉图样就是明暗相间的环状条纹。因为微小的波长变化会引起很大的相位差改变，所以相对于传统等倾干涉，该干涉仪中即使很小的光程差也会引起显著的条纹数量变动。

图2 干涉实验原理图

结果

在迈克尔逊干涉仪中，光程差就是两倍的干涉仪臂差，实际光路图见封面。图3展示了实验中不同臂差条件下的干涉条纹。理论和实验数据都表明在实验条件下干涉条纹数量随臂差变化的速度约是单色光等倾干涉的27倍，即实验观测到的干涉条纹数量变化的现象等同于波长为实际光子波长1/27的光发生等倾干涉时的现象。文章中的理论模型表明通过调节实验参数，这一比例还可以进一步提高。

图3 不同臂差条件下理论预测（上）和实验结果（下）的干涉图案

意义

这项工作的创新点是条纹数量随干涉臂差的变化更明显。该性质可用于精确定标零臂差位置，如图3中0μm无条纹的位置，文章中通过拟合给出了±0.54μm的精确度。这种应用类似于白光干涉仪，不同于之处在于不需要白光干涉所需的宽光谱，该实验中只利用了约15纳米的光子谱宽，无需滤波就能观测明暗相间的条纹，且对探测器的响应范围要求更低。由于波长与发散角的对应关系，光路中的孔径和视场光阑越大，可利用的光子光谱越宽，定标的精确度就越高。

Yang C., Zhou ZY., Li Yan., et al. Angular-spectrum-dependent interference. Light Sci. Appl. 10, 217 (2021).