测控技术与通信工程学院近日，我校测通学院仪器科学与技术学科朱智涵、中科大史保森与南京大学祝世宁院士联合团队在光学精密测量方面实现重要创新应用 —— 提出、论证一种基于“结构非线性光学”的相位超分辨测量方案：利用光场空间模态结构在介电体超结构中的级联非线性干涉过程高效构造、提取多光子复振幅信号，首次实时测得高达12光子德布罗意波长且可见度近乎完美的多光子干涉信号，为发展可实际应用的高倍率相位超分辨干涉测量技术提供一条全新的物理途径。相关成果以“Real-Time Superresolution Interferometric Measurement Enabled by Structured Nonlinear Optics”为题发表在Laser & Photonics Reviews并被编辑部推选为第6期封面论文，我校为第一完成单位，第一作者系2018级大珩班本科生张鑫宇。
图1 Laser Photonics Rev. 第6封面故事：基于结构非线性光学的实时超分辨干涉仪
光学干涉计量技术及仪器是现代精密测量科学的核心支撑，从百余年前否定以太假说的初代迈克尔逊干涉仪到近来能够观测引力波事件的激光干涉引力天文台，干涉仪的性能伴随激光与光场调控技术的发展已实现跨多数量级的提升。光学干涉仪的性能可由相位分辨率与敏感性来表征，二者分别由注入干涉仪的光源波长（或等效德布罗意波长）与功率（或可探测光子）决定。由于极短波长光场易被吸收且难以操控，因此干涉仪的分辨率无法通过缩短波长无限提升。而“相位超分辨”正是设法突破波长限制的技术手段。
目前“相位超分辨”物理实现的主要途径是多光子纠缠态的制备与调控，结合N光子符合计数的方式实现等效德布罗意波长复振幅信号的提取与记录。该途径的优点在于理论上可同时实现“相位超分辨”与“相位超敏感”。但是多光子态的制备与调控难度随N指数增加，当时每个数据点的采集都需要数小时的累积计数且干涉可见度较差，因此无法面向实际应用。即便采用昂贵的超导探测技术也只能在的最简情况下同时实现相位超分辨与超敏感，但低于皮瓦量级的光子信号使其仍然难以具备实际应用潜力。总之，高亮度多光子源与超高速光子符合计数两项短期内难以突破的技术瓶颈共同限制了以调控多光子纠缠态为途径的超分辨干涉测量技术的可实际应用。
面向上述前沿问题，联合研究团队以前期物理研究成果（Phys. Rev. A 100, 053840；Phys. Rev. A 101, 063805）为基础另辟蹊径，提出实现全新的超分辨物理途径：利用轨道角动量（OAM）相干态在参量上转换过程中的模态结构演化模拟N00N态在SU(2)干涉仪中的光子数模态行为，进而得以更加高效的主动手段制备携带倍干涉仪臂间相位参量的多光子振幅信号。如图2所示，我们利用准周期光学超晶格中的多重准相位匹配在单块人工超构晶体中实现了由相干态（可由功率型低成本光电探测器高速记录）携带的倍相位超分辨信号。
此外，新技术与多光子聚束途径的情况类似，当时也会出现除目标N00N态以外的噪声模态。但现有成熟的空间模态投影技术可以高效的提取出目标多光子振幅，实现近乎完美（）的干涉可见度。另一方面，由于该技术中信号波长在级联上转换中逐步减小，阻碍了分辨率的连续提升。本工作中通过对超分辨信号进行下转换降低频率后再次级联参量上转换，实现了最终高达的相位超分辨干涉信号，且此时信号强度仍然肉眼可见，仅需低成本光电探测器即可实时记录（图3）。
图2 在准周期光学超晶格中通过级联参量上转换实现N = 4倍的实时相位超分辨测量
图2 通过参量下转换回滚信号频率后再次倍增相位分辨率至
该研究工作于2023年3月19日以“Real-Time Superresolution Interferometric Measurement Enabled by Structured Nonlinear Optics”为题在线发表在Laser & Photonics Reviews上（DOI：10.1002/lpor.202200967），并于6月10日作为第6期正封面印刷发表（Front Cover: 10.1002/lpor.202370026）。我校测通学院省量子调控重点实验室大珩中心为第一完成单位；第一作者为原物理系2018级大珩班（由郭光灿院士推动建设的强基培养计划）本科生张鑫宇（现南京大学2022级直博生、导师为南京大学学术委员会主席祝世宁院士），此项研究为该生本科阶段的科研实训内容与毕业设计；哈尔滨理工大学朱智涵、南京大学胡小鹏与中国科学技术大学史保森教授为共同通信作者，祝世宁院士亦对本工作做出关键指导。该研究工作得到了国家自然科学基金、科技部“变革性技术关键科学问题”重点专项等资助。