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纠缠光子辐射场的压缩与整形

许康  
【摘要】:自发参量下转换(SPDC)是目前制备高度相关光子对的最为成熟、应用最广泛的一种方法。正因为其产生的纠缠光子对在时间、空间、频率、偏振等方面的高度相干性,而被广泛应用于量子信息,光通讯,激光技术,光学计量等技术领域,但是由于泵浦光和所产生的信号光、休闲光场之间要满足相位匹配,所以通常情况下转换效率较低,解决这一问题的传统方法是采用双折射相位匹配技术(BPM),但是这种方法受到偏振方向和波矢方向的限制,只能在特定的晶体上实现固定波长的相位匹配。而另一种获得高效非线性频率变换的是准相位匹配技术(Quasi-Phase Matching,简称QPM)。其基本思想是利用非线性晶体的极化率受到周期或非周期调制,从而极大地提高了非线性光学频率转换效率,但在许多研究领域,则要求有更高辐射强度和可调控的纠缠光子辐射。例如,在量子定位的研究中要求有具有良好纠缠特性的足够强的纠缠光子辐射源;在量子计量、量子相干层析制等方面则要求具有可调控,或可调谐性的窄频宽纠缠光子辐射。人们为改善纠缠光子辐射特性做了许多有益的工作,但都在解决一定问题的同时存在着一定的缺点,总之,到目前为止,人们还没有一个有效的方法实现窄频宽可调谐的纠缠光子辐射或整形输出。本文根据啁啾泵浦光作用在薄晶体,或一束泵浦光作用在啁啾极化的晶体上的纠缠光子的辐射类似于宽缝衍射行为。并借鉴菲涅尔波带片多缝干涉产生相干叠加的物理思想来研究实现更具实际应用价值的可调控的纠缠光子辐射新方法和新机理。 本论文的工作主要分为以下三个部分。 第一部分,基于Yaron Silberberg小组利用脉冲整形技术实现对光场的相位调制和裁剪作用研究双光子吸收和参量下转换等物理过程的方法,并参照菲涅耳衍射的半波带思想,在理论上提出了啁啾短脉冲宽频带光场作用下实现对宽频纠缠光子在频域的压缩和选频输出的新方法;详细研究了泵浦光场相位对参量过程的影响。依据这种方法所获得的纠缠光子的信号强度可提高一个数量级以上,同时又保持了纠缠光子对之间的良好相干性。 第二部分,根据利用SPDC获得的宽频纠缠光子辐射在啁啾极化的晶体中的演化规律表现为光场在频域的宽缝衍射过程,我们提出了相位可控的多缝衍射后的相干叠加的新思想。通过改变光场的相位关系,即可实现对纠缠光子辐射的压缩,提高纠缠光子辐射强度,又可获得任意波形的整形输出。 第三部分,在一级微扰近似下研究了弱啁啾脉冲光场与二能级系统的相互作用过程。得到了密度矩阵方程和传播方程的近似解析表述:得到密度矩阵元随时间的演化关系,另外分析了由于介质极化产生的信号场在介质中的传播过程。结果表明,信号场与输入场之间会发生干涉现象。利用这一原理可实现对光场的调制和整形作用。


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