压缩态光 | RP 系列激光分析设计软件

光的压缩态（或压缩光）是一种非经典光，是量子光学的一个有趣的课题，其实验研究始于 20 世纪 80 年代。

用于表示光场中某种模式下光状态的复相量，可以最好地理解为压缩光。经典物理学，这种状态可以用某个相量（或其在复平面中的端点）来表示。然而，根据量子光学，存在量子不确定性，并且对光场的复振幅的任何测量都可以在不确定性区域，而且不确定性区域内提供不同的值。此外，光场的正交分量存在不确定性关系，即两个分量的不确定性的乘积至少是普朗克常数的某个量h。

格劳伯相干态具有圆对称的不确定性区域，因此不确定性关系决定了一些最小噪声幅度，例如幅度和相位。该不确定区域的面积与平均幅度无关，即它不能通过衰减光来减小，仅通过“挤压”不确定性区域、减小其在幅度方向上的宽度，同时增加其在正交方向上的宽度，使得相位不确定性增加，才能进一步减少幅度噪声。这种光称为振幅压缩（见图 1，左）。相反，相位压缩光（图 1 中）减少了相位波动，但代价是振幅波动增加。

图1:光的不同压缩状态，用相量图表示。蓝色椭圆表示不确定区域。

当然，也存在不确定区域的方向与所示情况不同，或者不确定区域的形状与椭圆形状不同的压缩状态。例如，存在光子数压缩状态，其光子数的不确定性降低，但可能具有完全的相位不确定性。（一种极端情况是Fock states，具有一定的光子数。）在任何情况下，某些噪声分量都低于标准量子极限。

还有所谓的压缩真空（图1右），不确定区域的中心（对应平均振幅）位于坐标系的原点，波动在某个方向上减小。在这种情况下，平均光子数大于零；压缩真空仅在平均振幅（而不是平均光子数）为零的意义上才是“真空”。平均振幅非零的压缩光也称为亮压缩光。

量子噪声还会导致偏振波动，这种波动在偏振压缩光中会减少。

压缩光的产生

                 

                   

压缩光通常是利用某些光学非线性相互作用从相干态或真空态的光产生的。例如，具有真空输入的光学参量放大器可以产生压缩真空，从而使一个正交分量的噪声降低 10 dB 量级。在某些情况下，可以通过倍频来获得明亮的振幅压缩光中较低程度的压缩。光纤中的克尔非线性也产生振幅压缩光。当半导体激光器使用稳定的泵浦电流运行时，可以产生振幅压缩的光。挤压也可能由原子-光相互作用引起。

另一种可能性是使用光量子挤压器[ 22 , 28 ]。这里，与强度噪声相关的辐射压力的波动调制光谐振器中的光的路径长度，从而引起幅度和相位噪声之间的相关性。

应用领域

                 

                   

原则上，压缩光可用于许多领域，因为它允许在减少量子噪声的情况下进行测量。一个例子是使用大型干涉仪探测引力波的超精确长度测量。特别是，先进的 LIGO Hanford 设置配备了该技术，在 2015 年首次探测成功之前，该技术大大提高了测量灵敏度[23] [26]。

到目前为止，压缩光的使用还不是很广泛，主要是因为它受到各种困难的困扰。例如，任何光学损耗都会使光的压缩状态更接近相干状态，即倾向于破坏非经典特性。然而，至少在基础量子光学研究中，光的压缩态发挥着重要作用。