基于準(zhǔn)相位匹配晶體的非經(jīng)典光源的制備.pdf

1、無論是隱變量理論的否定還是EPR糾纏的證實(shí)，無論是量子秘鑰分發(fā)還是量子隱形傳態(tài)，非經(jīng)典量子光源都是極重要的實(shí)驗(yàn)對象。本論文圍繞光子和光子對的制備，開展了一系列的工作?；跍?zhǔn)相位匹配PPKTP晶體的參量下轉(zhuǎn)換過程，我們成功制備了紅外通信波段高質(zhì)量的偏振糾纏光源、腔增強(qiáng)高亮度的紅外以及可見窄線寬光子對，此外，我們還在type-ⅠOPO中實(shí)現(xiàn)了模式可調(diào)的HG模窄線寬光子對。為了提供OPO腔的泵浦光源，我們還開展了低泵浦功率下的高效率倍頻紫外激

2、光研究。
　　本論文的主要研究工作
　　1.我們利用Sagnac干涉儀實(shí)現(xiàn)了偏振糾纏光子對的制各。我們用幾種方法證明了產(chǎn)生的光子對具有很好的質(zhì)量。雙光子Hong-Ou-Mandel干涉具有95.3％±1.6％的干涉可見度，光子帶寬2.4 nm。當(dāng)光子的中心波長在20 nm內(nèi)變化時，干涉可見度依然保持很高。雙光子45°基Bell干涉曲線具有96.4％±2.0％的干涉可見度，而且不隨溫度和泵浦光功率變化。測量的CHSH(Clau

3、ser-Horne-Shimony-Holt)不等式的S參數(shù)是2.63±0.08，在8σ內(nèi)違背不等式。對糾纏態(tài)的重構(gòu)，我們得到的保真度為0.935±0.021。此外，產(chǎn)生的光子位于通信波段，而且是光纖輸出，非常適合與光纖系統(tǒng)結(jié)合，用于光纖量子通信領(lǐng)域。
　　2.我們實(shí)現(xiàn)了低泵浦功率下高效率397.5 nm倍頻光的產(chǎn)生。我們工作的亮點(diǎn)是泵浦光(795 nm)的功率相對較低，僅110 mW，產(chǎn)生的藍(lán)光有49 mW，足夠去泵浦OPO腔產(chǎn)

4、生光子對。產(chǎn)生的倍頻光具有很好的空間模式，裝置緊湊而穩(wěn)定。和常見的商用倍頻激光器相比，我們的倍頻系統(tǒng)在一些場合更具有優(yōu)勢。例如對于調(diào)諧范圍要求不高的地方如原子實(shí)驗(yàn)中，我們的系統(tǒng)可以省去昂貴復(fù)雜的激光放大器，直接用半導(dǎo)體激光器就能產(chǎn)生足夠的倍頻光。而且還可以利用半導(dǎo)體激光器的電流調(diào)制功能省去昂貴的電光調(diào)制器。此外，快速電流反饋也有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　3.我們實(shí)現(xiàn)了腔內(nèi)Ⅱ型PPKTP晶體產(chǎn)生窄線寬光子對的實(shí)驗(yàn)。我們觀察到多縱模

5、光子對的互相關(guān)函數(shù)具有非常明顯的梳狀結(jié)構(gòu)，信噪比超過100∶1。在使用濾波腔濾出單縱模時，互相關(guān)函數(shù)的梳狀結(jié)構(gòu)消失，信噪比超過20∶1，這證明了我們產(chǎn)生的是單縱模的窄線寬光子對。通過擬合，我們得到光子對的線寬為11.8 MHz，和原子的自然線寬在一個數(shù)量級，而且光子對的中心波長是780nm，位于Rb原子躍遷的D2線，因此產(chǎn)生的光子可以與Rb原子系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)量子存儲和量子中繼。我們使用的泵浦光產(chǎn)生于單次通過倍頻實(shí)驗(yàn)，功率只有幾百μW。在

6、今后我們計劃將它換成腔內(nèi)倍頻方案，以便產(chǎn)生更強(qiáng)的泵浦光，這樣可以增大單縱模光子對的產(chǎn)生率，提高量子通信和量子存儲速率。
　　4.我們實(shí)現(xiàn)了通信波段的窄帶明亮光子源。我們使用了一個三共振的OPO腔，這樣泵浦光也得到了增強(qiáng)，因而產(chǎn)生的光子對的亮度相比雙共振情況有明顯的提高。我們得到的光子帶寬為8 MHz，相干時間為27.7 ns，亮度約為134±25 s-1MHz-1mW-1。由于產(chǎn)生的光子位于通信波段，非常適合用于光纖系統(tǒng)中。如果將

7、我們的光子源用高效率的全光纖器件實(shí)現(xiàn)，那將會成為量子通信里一個實(shí)用化的模塊。
　　5.我們希望能產(chǎn)生不同空間模式的光子對，我們對這一目標(biāo)進(jìn)行了初步嘗試，我們先實(shí)現(xiàn)較容易的HG模光子的產(chǎn)生。我們將OPO腔鎖定在高階模上，就得到了HG模光子對。我們證明了產(chǎn)生的確實(shí)是非經(jīng)典關(guān)聯(lián)的光子對。兩種情況下HG模式光子的帶寬分別是11.4 MHz和20.8 MHz，與原子的自然線寬相當(dāng)，波長位于780 nm附近，可以與原子系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高維量子

8、存儲。然后我們實(shí)現(xiàn)了一個模式簡并消除腔，在這個腔中不同軌道角動量的光束共振頻率不同，這樣不同軌道角動量的光束之間不會由于簡并而耦合，因此不需要非常理想的光學(xué)諧振腔就能使腔的本征模式是LG模。這為我們進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)直接產(chǎn)生窄帶軌道角動量光子對奠定了基礎(chǔ)。
　　本論文的主要特色和創(chuàng)新點(diǎn)
　　1.我們系統(tǒng)地研究了基于準(zhǔn)相位匹配晶體的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程。從單次通過形式到腔增強(qiáng)形式，從可見波段到紅外波段，從直積態(tài)到偏振糾纏態(tài)，從基模光子到

9、高階空間模式光子。我們的工作全面而系統(tǒng)，涵蓋了基于準(zhǔn)相位匹配晶體的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程的大部分情況。
　　2.我們實(shí)現(xiàn)了通信波段偏振糾纏源的制備，糾纏光子具有很高的保真度和亮度，頻譜特性很好，非常適用于量子通信領(lǐng)域。
　　3.我們完成了單模窄線寬光子源的制備。從倍頻光的產(chǎn)生，到多縱模光子對的制備，再到雙共振單縱模光子對的制備，最后到三共振單縱模光子對的制備。我們的工作由淺入深，由易到難，系統(tǒng)而全面地研究了單縱模窄線寬光子源的制