我校郭光灿院士团队在包含双折射晶体的干涉理论和实验研究中取得重要进展，该团队史保森教授、周志远副研究员等首次建立了双折射干涉仪的量子理论模型，揭示了光子在双折射干涉仪中的干涉行为，并在实验上得到完美的验证。这项研究成果6月26日发表在国际物理权威期刊《物理评论快报》上[Phys. Rev. Lett. 120, 263601(2018)]。
干涉仪是现代科学技术不可缺少的工具，被广泛用于研究光学以及相关的其它科学领域。自狄拉克时代起，人们就对光子的干涉行为进行了广泛讨论。狄拉克认为，光子只与自己干涉。这种观点在解释双光子干涉现象时遇到了困难。随后学者们更新了狄拉克的观点，并提出一对光子只与这对光子自己发生干涉。 对光子干涉现象的清晰认识可以帮助人们更好地将其应用于光学精密测量中，这是因为大部分物理量包括位置、角度、温度、电场等的精确测量，均可从干涉曲线中获得目标参数，因而如何获得稳定的干涉曲线并从单个干涉曲线获得足够的目标参数，是光学精密测量永恒追求的目标。
史保森、周志远等首先在理论上建立了双折射干涉仪的一般量子光学模型，进而设计了一个被动稳定改进型的马赫曾德干涉仪对理论模型进行实验验证，该干涉仪的两个臂上分别插入一块双折射KTP晶体，分别用于相位补偿和作为待测样品。他们利用自己研制的高亮度红外通信波段光子源作为输入光 [Opt. Express 23, 28792 (2015)]， 分别研究了单、双光子输入下的光子干涉行为。他们发现不管是单、双光子输入，都可以观测到依赖待测样品旋转角度的温度拍频曲线，并且双光子的温度拍频周期是单光子拍频周期的一半，双光子表现出位相超分辨能力。通过拍频曲线，就可以通过单个干涉曲线确定双折射晶体两个轴的热色散系数。此外，他们还研究了双折射晶体中的偏振消相干对干涉的影响，发现随着输入光子带宽的增加，偏振消相干增加，单光子和双光子的干涉可见度都会降低。这些结果与所建立的量子光学理论模型可以完美地匹配上。
图1 实验光路图
图2 单双光子随转动角度温度拍频曲线（左边双光子拍频，右边单光子拍频）
需要指出的是，对单光子干涉拍频现象并不局限于单光子输入，利用激光也能观测到同样的现象，这就降低了实际测量应用中的要求。此外，该工作的理论模型可以稍作拓展即可用于表征双折射材料的波长色散特性以及测量材料的电光系数。因此这项工作为基于干涉仪的双折射材料特性的表征奠定了重要的理论和实验基础，为非线性光学和偏振光学器件的设计和表征提供重要的工具。
周志远副研究员为论文的共同第一作者和共同通信作者，研究生刘世凯为论文的共同第一作者。这项工作得到国家基金委、中科院、科技部、安徽省重大研究专项、中国博士后基金会和量子信息与量子科技前沿协同创新中心的资助。
（中科院量子信息重点实验室、量子信息和量子科技前沿创新中心、科研部）
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.263601