4. 频谱表征的核心参数
量子光源的频谱表征，本质上是用一组可测量的参数把“这个光源在频域上长什么样”描述清楚。对单光子源、纠缠光子对、压缩态光源或量子点光源而言，频谱不仅决定光子能否与目标量子系统共振，还直接影响干涉可见度、模式匹配效率以及多光子事件的抑制程度。本节围绕六个核心参数展开：中心波长、线宽、频谱纯度、边模抑制比、频率稳定性与可调谐性。理解它们的定义与物理意义，是后续搭建光谱仪、干涉仪或外差测量链路的前提。
中心波长：频谱的“重心”与工作点
中心波长 λ₀ 描述光源频谱分布的中心位置，通常定义为光谱功率密度峰值对应的波长，或按一阶矩计算的重心波长。对理想单频光源，λ₀ 就是其唯一频率对应的波长；对有一定带宽的光源，λ₀ 代表其“工作点”。物理上，λ₀ 决定了光子能量 E = hc/λ₀，也决定了它与目标跃迁、滤波器通带、光纤传输窗口是否匹配。例如量子点激子发光常在 900–1000 nm 近红外区，而铷原子 D2 线在 780 nm，若中心波长偏离目标跃迁，即使线宽很窄也无法有效耦合。因此中心波长的测量必须与绝对波长校准结合，常用方法包括气体吸收池、波长计或已知原子跃迁线作为参考。
线宽：相干时间与模式匹配的度量
线宽 Δν（或 Δλ）描述频谱峰的宽度，通常用半高全宽（FWHM）表示。它直接对应光源的相干时间 τ_c ≈ 1/(πΔν)（洛伦兹型）或 τ_c ≈ 0.44/Δν（高斯型，以频率计）。线宽越窄，相干时间越长，光子越接近傅里叶变换极限。对量子光源而言，线宽决定了光子能否与目标量子存储器、腔模或另一光子的频谱重叠。例如若两个独立单光子源的线宽分别为 100 MHz 和 500 MHz，即使中心波长相同，其频谱重叠积分也会显著下降，导致 Hong-Ou-Mandel 干涉可见度降低。测量线宽常用法布里-珀罗干涉仪、延迟自外差或高分辨率光栅光谱仪，需注意仪器分辨率应远小于待测线宽，否则测得的是仪器响应而非真实线宽。
频谱纯度：单模性的量化
频谱纯度（spectral purity）通常指目标频谱模式在总发射中所占的比例，定义为目标模式光子数与总光子数之比，或目标频谱分量与总频谱积分之比。对参量下转换光源，频谱纯度反映信号光与闲频光在频率上是否严格共轭、是否存在多模成分。高纯度意味着光源接近单模，是获得高可见度干涉和低多光子噪声的关键。频谱纯度可通过联合频谱强度测量（JSI）或扫描法布里-珀罗干涉仪结合光子计数来评估。若纯度不足，往往需要加入窄带滤波器或采用腔增强结构来抑制非目标模式。
边模抑制比：主模与旁模的对比
边模抑制比（SMSR）定义为最强边模功率与主模功率之比，通常以 dB 表示。它衡量光源是否“干净”地工作在单一频率模式上。对激光泵浦的量子光源，泵浦光的边模若未被抑制，会通过四波混频等过程引入额外频率成分，污染量子态。SMSR 的测量可用高分辨率光谱仪或法布里-珀罗扫描干涉仪，观察主模与相邻纵模的功率差。一般要求 SMSR 大于 30 dB 才能认为光源基本单模；若低于 20 dB，则需检查泵浦源或腔长稳定性。
频率稳定性：时间上的可重复性
频率稳定性描述中心频率在时间上的漂移程度，常用阿伦方差（Allan variance）或频率漂移率（如 MHz/h）表示。物理上，温度变化、机械振动、驱动电流噪声都会导致中心频率漂移。对量子光源，频率漂移会破坏与固定参考的长期锁定，使干涉实验需要频繁重校准。测量时通常用波长计或拍频法记录频率随时间的变化，再计算阿伦方差。若漂移过大，需引入反馈锁定，例如将部分光分束到参考腔或原子吸收线，通过 PID 控制温度或电流。
可调谐性：覆盖范围与调谐方式
可调谐性指中心波长或频率可在一定范围内连续或准连续改变的能力，通常用调谐范围（如 10 nm）和调谐速率（如 nm/s）描述。对量子光源，可调谐性使其能匹配不同目标跃迁或补偿制造偏差。实现方式包括改变温度、调节腔长、改变泵浦波长或使用可调滤波器。调谐过程中需同时监测线宽和功率是否保持稳定，避免调谐引入额外模式跳变。例如温度调谐量子点光源时，波长漂移约 0.1 nm/K，但线宽可能因声子展宽而增大，需在调谐范围内选择最优工作点。
参数之间的耦合与测量顺序
这六个参数并非彼此独立。中心波长与可调谐性共同决定工作范围；线宽与频谱纯度共同决定模式匹配质量；频率稳定性与边模抑制比共同决定光源能否长期单模运行。实际表征时，建议先测中心波长与线宽，确认光源基本工作点；再测 SMSR 与频谱纯度，判断模式洁净度；最后在较长时间尺度上记录频率稳定性，并测试可调谐范围内的线宽与功率一致性。若某一参数不达标，应优先排查泵浦源、腔体温度与机械稳定性，而非直接更换滤波器。
总结来看，中心波长回答“光在哪里”，线宽回答“光有多纯”，频谱纯度回答“目标模式占多少”，边模抑制比回答“有没有杂散模式”，频率稳定性回答“能否长时间保持”，可调谐性回答“能否主动移动”。把这六个参数测准、记全，才能为后续的干涉、存储与探测实验提供可靠的频谱基础。