基于微尺度光學(xué)偶極阱中單原子操控的852nm單光子源研究.pdf

1、單光子源作為具有最大反群聚效應(yīng)的非經(jīng)典光場(chǎng)，在量子物理的基本問(wèn)題、量子保密通信、量子計(jì)算等研究中具有重要的意義。同時(shí)單光子源還可以用于弱吸收測(cè)量、制備真隨機(jī)數(shù)。通常實(shí)現(xiàn)單光子源的物理載體包括單原子，單分子，單離子，單量子點(diǎn)，單NV色心，自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換，以及基于原子系綜的四波混頻過(guò)程等。基于微型光學(xué)偶極阱中單原子操控的單光子源，因其具有窄帶寬、可與同類原子系綜吸收線匹配、不受外界環(huán)境因素影響等特點(diǎn)，在量子光學(xué)的基本問(wèn)題及量子信息處理方面都

2、具有重要價(jià)值。本論文以實(shí)現(xiàn)852nm單光子源并提高其不可區(qū)分度為目標(biāo)，研究了基于微型光學(xué)偶極阱中單原子的高概率裝載，高ON/OFF比脈沖激光系統(tǒng)，光脈沖共振激發(fā)過(guò)程中單原子俘獲壽命的延長(zhǎng)，單光子源的產(chǎn)生及不可區(qū)分度的提高等工作。
　　本論文主要完成的工作如下:
　　1).單原子高概率的裝載。為了獲得852nm單光子源，首先需要實(shí)驗(yàn)提供穩(wěn)定的單原子源。實(shí)驗(yàn)中我們搭建了超高真空氣室的大磁場(chǎng)梯度銫原子磁光阱，利用紫外光誘導(dǎo)的光致原

3、子解吸附效應(yīng)并實(shí)時(shí)反饋控制四極磁場(chǎng)梯度，實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了磁光阱中少數(shù)原子乃至單原子的高概率裝載;并對(duì)連續(xù)光激發(fā)情形下，磁光阱中俘獲原子所輻射熒光的光子統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行了研究。但是磁光阱中俘獲原子的光場(chǎng)與原子躍遷線近共振，使得原子處于不斷的吸收與自發(fā)輻射過(guò)程中，破壞了原子的內(nèi)部自由度，因此需要將磁光阱中的原子轉(zhuǎn)移到保守勢(shì)的遠(yuǎn)失諧光學(xué)偶極阱中，完成量子態(tài)的制備和探測(cè)。實(shí)驗(yàn)中搭建了1064nm微尺度光學(xué)偶極阱，研究了磁光阱中單原子向偶極阱的高概率裝載

4、。結(jié)合藍(lán)失諧激光誘導(dǎo)的光助碰撞和在紫外光導(dǎo)致的原子解吸附兩種物理機(jī)制將微尺度光學(xué)偶極阱中單個(gè)銫原子的制備概率提高到了99％以上。
　　2).852nm單光子源的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。為了有效延長(zhǎng)脈沖光共振激發(fā)過(guò)程中單原子在微尺度光阱中的俘獲壽命，我們分析討論了微尺度光阱的振蕩頻率及加熱機(jī)制，采用優(yōu)化的交替激發(fā)/冷卻方案，在高重復(fù)率、納秒級(jí)脈寬的共振光激發(fā)情形下，將單原子的俘獲壽命從典型的約100微秒延長(zhǎng)至約2500毫秒。結(jié)合優(yōu)化的交替激發(fā)/冷

5、卻方案，基于微尺度光阱中單原子的操控，實(shí)現(xiàn)了重復(fù)率為10MHz的852nm波長(zhǎng)觸發(fā)式窄帶單光子源。利用HBT實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)單光子源的二階相干度進(jìn)行了測(cè)量，零延時(shí)處g(2)(0)=0.09。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，我們研究了采用波導(dǎo)型電光強(qiáng)度調(diào)制器產(chǎn)生高重復(fù)頻率脈沖光時(shí)，影響脈沖ON/OFF比的主要因素和物理機(jī)制，通過(guò)精密控溫并尋找優(yōu)化的工作點(diǎn)，顯著地改善了納秒脈沖激光的ON/OFF比和功率穩(wěn)定性。此外，針對(duì)進(jìn)一步改善脈沖激光的ON/OFF比，并有效提

6、高脈沖激光平均功率的需求，提出了納秒脈沖光通過(guò)動(dòng)態(tài)注入鎖定放大的方案，并在實(shí)驗(yàn)中作了驗(yàn)證。脈沖動(dòng)態(tài)注入鎖定放大，不僅可以有效提高納秒脈沖激光的平均功率，而且使得被動(dòng)激光器的輸出激光頻率在與主激光頻率共振和大失諧狀態(tài)快速切換，顯著改善了輸出脈沖激光的ON/OFF比。
　　3).單光子源不可區(qū)分度的提高。基于1064nm光學(xué)偶極阱中單原子操控的單光子源，由于偶極阱光導(dǎo)致原子能級(jí)的光頻移，會(huì)影響單光子的不可區(qū)分度。為了消除光學(xué)偶極阱中原

7、子躍遷頻率空間位置依賴的空間非均勻頻移，提高單光子源的不可區(qū)分度，實(shí)驗(yàn)中計(jì)算并搭建了魔數(shù)波長(zhǎng)銫原子光學(xué)偶極阱，并實(shí)現(xiàn)了基于魔數(shù)波長(zhǎng)光學(xué)偶極阱單原子操控的觸發(fā)式單光子源。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了銫原子6S1/2|F=4，mF=+4）→6P3/2|F'=5，mF=+5>躍遷對(duì)應(yīng)的魔數(shù)波長(zhǎng)值為937.7nm。實(shí)驗(yàn)中搭建了雙光子干涉的實(shí)驗(yàn)裝置，利用Hong-Ou-Mandel雙光子干涉實(shí)驗(yàn)方案測(cè)量了單光子的不可區(qū)分度，相比較于1064nm光學(xué)偶極阱，937.