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窄线宽非经典光源的制备及性质

王福源  
【摘要】: 纠缠光子是实现许多量子信息过程和完成量子光学实验很重要的工具。目前为止,广泛用来获得纠缠光子源的方法是非线性晶体的自发参量下转换过程(SPDC)。量子通信的其中重要一环是要有量子中继器,也就是光子能被贮存在中继器中,而原子系综则被认为是一个好的量子中继器的备选者。为了实现原子与光子之间有效的耦合的必需使光子具有与原子自然线宽相比拟的带宽。但是普遍普的SPDC光子因为其极大的带宽而无法与原子相互作用,所有就必需压窄它的线宽。近来,有不少这个方面的一些简单实验被报导,在这些实验中Rb或Cs的热原子系综或它们的冷原子云被做为贮存器,而光子被做为飞行比特。这个论文的工作就是备制这样的光子。 整个论文分为六个部分,前面三个是关于如何备制窄线宽的非经典光子对的实验;然后的二个是实验上所测的关于这类光子的一些性质。最后一部分关于锁腔和激光稳频的一些介绍。 1)获得390 nm紫外光的外腔式倍频。这个实验第一个需求是要有一个紫外光源。虽然固体激光器已经被很好的研究过,但在紫外光谱范围内的半导体激光器还是非常的难找,几乎没有。在我们实验中需求的光波长为390纳米,它的倍频正好是Rb原子的D2线的吸收峰。因此,最好的办法是通过二次谐波倍频(SHG)的方法来获得光源。SHG的理论早已被很好的建立,同时由于激光稳频和锁腔技术的发展,新型的非线性晶体被开发出来,许多关于这方面的实验被报道。但据我们所知还没有在390纳米或以下的频段有过外腔式倍频的报道。我们知道,这个频段光的应用还是比较广的,如生物医药,高分辨率光谱,原子冷却,量子光学等等。我们在实验中所使用的晶体是PPKTP,一种新型的具有高光学非线性效率,高功率损失阈值的晶体。我们实验的转化效率为9.5%,泵浦功率为73mW。 2)用PPKTP晶体产生的超亮的Ⅰ型双光子源。SPDC作为一种易操作、高效率、高信噪比的产生纠缠光子的方法已经被广泛的应用于量子信息过程和量子光学实验。人们对SPDC光子已经研究了几十年。不少物理问题通过它被搞清楚,像Bell不等式的测量,量子隐形传态。它也被应用于量子密码,量子计算等等。这里,我们使有Ⅰ型的PPKTP晶体来备制双光子。这个实验的目的是通过测量来了解一些晶体的性质,如它温度的带宽,双光子的产生效率,这些数据对下一步的实验有不少帮助。 3)频率对应于Rb原子D2线多模双光子的时间关联函数的获得。相比普通的SPDC光子,窄带的SPDC光子有更多的优点。它的线宽要小上6个量级,因此它具有很长的相干时间和距离。更重要的是由于它的窄线宽,它有望与原子发生高效的相互作用,并被贮存起来。光子的一个缺点是它总是在飞,所以不容易被局域化或是贮存。基于这个原因它所携带的信息在光子消失后也随之消失。不过根据电磁诱导透明理论(EIT),如果一个窄带光子的频率与一种原子的吸收峰对应,那它有可能被这种原子的系综所贮存,信息也会被贮在原子系综里。因此有了非经典窄带光子以后,人们就可以让信息在光子与原子之间相互传递。这是实现量子网络与量子贮存器的关键一步。我们实验得到是光子带宽为21MHz。 4)多模双光子对在Michelson干涉仪中的量子干涉现象。量子干涉是量子力学中既重要又神秘的现象之一。光子的性质可以由干涉现象来表现出来。一般来说,有两种类型的干涉常被关注:一价干涉与二价干涉。人们设计了许多干涉仪去实现两种干涉,像Michelson干涉仪,Sagnac干涉仪等。日本的Goto等人利用一个不等臂干涉仪观察了多模光子的干涉条纹。我们用Michelson干涉仪做了一个相似的实验,但我们不仅观察了不等臂的情况而且也看了等臂的情况。即使在不等臂清况时,我们的两臂长度也与Goto等人的不同,当然干涉图象也是不同的。通过实验我们发现这种类型的光子对干涉仪的臂差和位相是比较敏感的。 5)实验上测量多模光子的单光子相干长度。在这部分我们测量了直接从远低阈值的OPO腔内出来的多模光子的单光子相干长度。虽然光子的带宽是由它所出来的OPO腔的线宽决定的,但是由于光子丰富的纵模数,它还是只有一个很短的相干长度。一个类似的实验曾在Phys.Rev.Lett.90,043602上报道过,但是他们使用的是单次通过的结构,相比之下我们使用的是从OPO腔内出来的光子。实验的主要想法是当一个光子进入干涉仪后,如果干涉仪的臂差大于光子的相干长度,那么就不会有干涉现象。反之,臂差小于相干长度,就会有干涉现象出现,而且条纹对一个波长之内的长度改变极其敏感。实验的结果显示我们实验中的光子的单光子相干长度为90μm,对应于大概0.47 nm的带宽,然而实验中的OPO腔的线宽为8 MHz。它说明了如果没有进一步的滤波,这种光子是无法与原子发生有效的相互作用的。 6)因为激光稳频与光学腔的锁定在现代光学实验中显出越来越重要的作用,了解和明白一些关于这方面的技术是十分有必要的。在这一部分,我翻译了一些这方面很好的入门文章,希望有所帮助。


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