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基于周期性非线性晶体的光子对制备

翟畅  
【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。


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