自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生單光子對(duì)的應(yīng)用及其統(tǒng)計(jì)特性研究.pdf

1、自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程利用非線(xiàn)性晶體的二階非線(xiàn)性效應(yīng)實(shí)現(xiàn):一個(gè)頻率較高的光子（泵浦光）在滿(mǎn)足相位匹配的條件下，在非線(xiàn)性晶體內(nèi)同時(shí)（時(shí)間差不超過(guò)10-15秒）產(chǎn)生兩個(gè)頻率較低的光子（下轉(zhuǎn)換光），這兩個(gè)光子在時(shí)間、空間以及能量方面有著高度關(guān)聯(lián)的特性。到目前為止，自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程被認(rèn)為是能夠最有效地產(chǎn)生高度關(guān)聯(lián)的單光子對(duì)的方法之一，而單光子態(tài)作為一種非經(jīng)典光場(chǎng)，在基礎(chǔ)量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)研究、量子保密通訊、量子計(jì)算以及量子高精度測(cè)量等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用

2、。
　　自從自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程首次在實(shí)驗(yàn)被觀察到以來(lái)，這個(gè)過(guò)程所產(chǎn)生的高度關(guān)聯(lián)的孿生光子對(duì)的特性就被人們進(jìn)行了廣泛的研究，尤其是人們可以只探測(cè)其中一個(gè)單光子，用以判定另一單光子的存在，也即在不破壞（探測(cè)）單光子的情況下預(yù)言單光子的存在，進(jìn)而可以將此單光子提供給后續(xù)研究。由于自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程有著這一獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，使得對(duì)這個(gè)過(guò)程特性的研究成為國(guó)際上各個(gè)小組的研究熱點(diǎn)之一。本文的主要內(nèi)容均是圍繞自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程所展開(kāi)，結(jié)合單光子的探測(cè)

3、、計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)、以及符合計(jì)數(shù)測(cè)量等手段詳細(xì)地研究了下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)光子對(duì)的分布范圍，計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)分布特性以及其在一些量子過(guò)程中的應(yīng)用。
　　本文的主要工作有以下幾個(gè)方面:
　　1.詳細(xì)地回顧了目前可以在實(shí)驗(yàn)上產(chǎn)生單光子的各種方法，并給出自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程產(chǎn)生單光子所具有的獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)而介紹了自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程在基礎(chǔ)物理研究，及其在量子計(jì)算、量子度量衡等方面的應(yīng)用。
　　2.從相位匹配條件出發(fā)，理論上分析了當(dāng)泵浦源為單色平面波

4、和飛秒脈沖時(shí)對(duì)Ⅰ類(lèi)相位匹配的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的信號(hào)（閑置）光分布范圍以及符合范圍所造成的不同的影響。結(jié)果表明由于飛秒脈沖具有較寬的光譜分布，使得其作為泵浦源時(shí)，下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的信號(hào)（閑置）光的角分布范圍明顯要比單色波泵浦時(shí)的范圍要大。而且，泵浦脈沖的譜越寬，下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的信號(hào)（閑置）光的角分布范圍越大。最后，在實(shí)驗(yàn)上測(cè)量了當(dāng)泵浦為飛秒脈沖時(shí)下轉(zhuǎn)換光的角分布，結(jié)果與理論分析基本一致。
　　3.研究了利用飛秒脈沖泵浦的Ⅰ類(lèi)非共線(xiàn)相位匹配的

5、自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程實(shí)現(xiàn)的量子鬼成像，并分析了測(cè)量帶寬對(duì)量子鬼成像實(shí)驗(yàn)的成像范圍和分辨率所造成的影響。結(jié)果表明，有限的測(cè)量帶寬將會(huì)縮減所能成像的范圍，但會(huì)使成像的分辨率有所提高。同時(shí)，探測(cè)時(shí)所選用的濾波片的透射線(xiàn)型將會(huì)影響到量子鬼成像的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)歸一化過(guò)程處理，可以消除這種影響。
　　4.利用自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程以及一個(gè)單光子探測(cè)器，提出一個(gè)實(shí)現(xiàn)受激發(fā)射型探測(cè)器的理論方案，并研究了利用此類(lèi)型探測(cè)器實(shí)現(xiàn)的反常規(guī)排列的二階關(guān)聯(lián)函數(shù)和F

6、ano因子的測(cè)量結(jié)果，比較了其與常規(guī)探測(cè)器測(cè)量所得結(jié)果的不同，給出此類(lèi)型探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)。最后，在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)提出的理論模型進(jìn)行了測(cè)量研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析定性一致。
　　5.利用光子計(jì)數(shù)技術(shù)對(duì)自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的信號(hào)光以及一個(gè)弱贗光場(chǎng)的光子計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)分布進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱光場(chǎng)的強(qiáng)度足夠低時(shí)，光子計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)分布依然滿(mǎn)足負(fù)二項(xiàng)分布，但是傳統(tǒng)理論給出的對(duì)應(yīng)分布中簡(jiǎn)并因子的表達(dá)式不能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，傳統(tǒng)理論具有一定的局限性。在此基

7、礎(chǔ)之上，用量子理論重新推導(dǎo)了簡(jiǎn)并因子的表達(dá)式，并給出了一個(gè)新的、通用的關(guān)于簡(jiǎn)并因子的量子力學(xué)表達(dá)式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與量子理論推出的表達(dá)式相符，證明了量子噪聲在光子計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)中的重要性。在這些研究工作中，屬于創(chuàng)新性的工作有以下幾點(diǎn):
　　1.詳細(xì)地研究了利用飛秒脈沖作為自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換的泵浦源時(shí)，泵浦譜寬和探測(cè)帶寬對(duì)下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的信號(hào)（閑置）光分布范圍和符合范圍造成的影響，并與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比，二者基本一致。
　　2.研究了利用自發(fā)參量下轉(zhuǎn)