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基于周期性非线性晶体的光子对制备

作　者: 翟畅
导　师: 郭光灿；史保森
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 光学
关键词: 自发参量下转换光子对非线性晶体准相位匹配周期极化晶体非经典光场量子信息倍频产生光子场超短脉冲单光子泵浦光功率纠缠光子量子光学腔内倍频相干长度量子网络量子通讯双光子吸收原子作用
分类号: O734
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

自发参量下转换获得的光子具有高度的相关性,是一种重要的非经典光场。在非线性晶体中通过自发参量下转换产生光子对,是一种最为成熟的产生纠缠光子对以及获得单光子的方法,在光通讯、量子光学和量子信息领域有着极为重要的作用。特别是在量子通讯领域用来携带信息,被称为飞行比特,是量子通信网络重要的一环。因此得到高亮度的光子对,提高参量下转换的效率就有十分重要的研究价值。在另一方面,构筑量子通信网络需要对光子所携带的信息进行存储,实现这个存储功能的部件称为量子中继,目前原子系综被认为非常适合作为量子中继器,但是由于原子的自然线宽仅为MHz量级,而携带信息的参量下转换光子带宽约为THz量级,这样悬殊的差别使得这种光子无法有效的同原子相互作用,即无法实现量子信息的传递,因此研究压窄光子的线宽也具有非常重要的意义。本文的主要内容归纳如下：1,基于非线性周期极化晶体PPKTP的倍频实验研究。我们分别进行了连续激光的腔内倍频实验和超短脉冲的倍频实验。连续激光的腔内倍频实验中,我们选用780nm的外腔式半导体激光器倍频获得390nm的紫外光源,得到的紫外光输出功率为8.8mW,对应的转化效率为12%,实验得到的390nm的紫外光将作为进一步实验(参量下转换实验)的泵浦光。超短脉冲的倍频实验中,使用800nm的飞秒激光,进行了Ⅱ型准相位匹配实验,归一化转换效率为0.36%W-1cm-1。2,通过PPKTP的自发参量下转换过程制备光子对。我们分别利用半导体激光和腔内倍频产生的激光作为泵浦光在PPKTP中产生光子对,当泵浦源为半导体激光时,泵浦光功率为3.58mW,探测到的纯复合计数为7400／s,对应的光子对产生率为0.73MHz／mW。当使用腔内倍频产生的激光作为泵浦光时,泵浦光功率为0.11mW,在半高全宽为40nm的全带宽范围内,得到的复合计数约为340k／s,对应的光子对产生率为94MHz／mW,使用3nm的干涉滤波片后,纯复合计数为11.5k／s,可知光子对产生率为4.3 MHz／mW／nm。3,多纵模光子相干长度的实验测量和理论分析。我们通过实验测量了运行在远低于阈值的情况下,OPO腔中产生的自发参量下转换光子的一阶相干长度。实验中OPO腔的带宽为7.8MHz,得到的单光子的相干长度为90μm,对应的带宽为0.47nm,我们同时也对此过程进行理论分析计算,计算得到的单光子的相干长度110μm,实验结果和理论结果比较符合。4,基于PPKTP波导产生多通道光子对。我们提出了一种利用周期极化磷酸氧钛钾波导,通过自发参量下转换过程来获得多通道光子对的方案,这个方案旨在能够同时提供多组光子对给量子网络的多对通讯者,从而有效的建立并简化量子网络。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章:绪论  12-34
  1.1 引言  12-14
  1.2 准相位匹配技术和周期性极化晶体  14-17
    1.2.1 相关理论的简单介绍  15-16
    1.2.2 常用的周期极化晶体  16-17
    1.2.3 准相位匹配的优势  17
  1.3 二次谐波产生(倍频)  17-21
    1.3.1 高斯光束的倍频  18-19
    1.3.2 倍频中的Ⅰ型和Ⅱ型准相位匹配  19
    1.3.3 倍频的波长带宽和温度带宽  19-20
    1.3.4 超短脉冲的倍频  20-21
  1.4 自发参量下转换(SPDC)  21-25
    1.4.1 SPDC光场的产生  22
    1.4.2 能量守恒和动量守恒关系  22
    1.4.3 Ⅰ型相位匹配和Ⅱ型相位匹配的参量下转换  22-23
    1.4.4 自发参量过程的量子理论  23-24
    1.4.5 自发参量光子对的纠缠特性  24-25
    1.4.6 SPDC光子对的偏振纠缠  25
    1.4.7 SPDC光子对的纠缠特性在量子信息领域的应用  25
  1.5 光学参量振荡器(OPO)  25-30
    1.5.1 光学参量振荡器的发展  26
    1.5.2 光学参量振荡器的单谐振(SRO)和双谐振(DRO)  26
    1.5.3 脉冲光泵浦光学参量振荡器的研究  26-27
    1.5.4 连续光泵浦光学参量振荡器的研究  27
    1.5.5 光学参量振荡器的腔结构  27-28
    1.5.6 低于阈值的光学参量振荡器  28
    1.5.7 低于阈值的OPO腔的基本理论  28-30
  1.6 本文主要研究内容  30-32
  参考文献  32-34
第二章:基于非线性周期极化晶体PPKTP的倍频实验研究  34-46
  2.1 连续激光的腔内倍频实验  35-38
    2.1.1 单次通过晶体的倍频效率  35-36
    2.1.2 谐振腔内的倍频  36-38
  2.2 超短脉冲的倍频实验  38-43
  2.3 本章小结  43-44
  参考文献  44-46
第三章:自发参量下转换制备光子对  46-66
  3.1 自发参量下转换光子对在各领域的广泛应用  46-47
  3.2 自发参量下转换光子对的产生  47-48
  3.3 利用半导体激光在周期性极化KTP中有效产生光子对  48-54
  3.4 利用腔内倍频产生的激光作为泵浦光制备光子对  54-60
  3.5 本章小结  60-62
  参考文献  62-66
第四章:多纵模光子相干长度的实验测量与理论分析  66-74
  4.1 实验设计与实验装置  67-68
  4.2 实验结果  68-70
  4.3 理论计算  70-71
  4.4 本章小结  71-72
  参考文献  72-74
第五章:基于PPKTP波导产生多通道光子对  74-82
  5.1 简单的理论分析  75-76
  5.2 实验方案  76-80
    5.2.1 Ⅱ型准相位匹配波导的情况  76-78
    5.2.2 Ⅰ型准相位匹配波导的情况  78-80
  5.3 本章小结  80-81
  参考文献  81-82
第六章:总结与展望  82-84
  6.1 主要研究工作  82
  6.2 展望  82-84
攻读博士学位期间发表的学术论文  84-86
致谢  86-87

基于周期性非线性晶体的光子对制备

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