基于光子不可区分度测量单光子超短脉冲的研究

【摘要】：超短激光脉冲自产生以来,在物理、化学、生物等多个领域都发挥了重大作用。超短脉冲是研究超快过程的主要手段之一,在化学领域,基于超短脉冲激光的飞秒化学与量子控制化学使得人们开始研究化学反应的精细过程和进一步地理解物质的微观结构。超短脉冲激光与纳米显微镜的结合使人们可以研究半导体的纳米结构的载流子动力学,包括半导体中瞬态电子在高电场中的输运,灼热电子的驰豫和隧穿以及光与物质的相互作用的动力学。利用超短光脉冲可以测量大规模集成电路中任意点的瞬态电压以及观测纳米电子器件中的电荷电压的瞬态现象,这对于搞清限制高斯电子、光子、与光子器件的高速性能的物理机制提供了强有力的工具。在生物学领域利用飞秒激光技术所提供的差异吸收光谱、泵浦、探测技术,人们有能力开始研究光合作用反应中心的传能、转能与电荷分离过程。此外,超短脉冲激光在研究DNA中的能量传递、外科手术等过程中也发挥着不可替代的作用。在近20年间,随着量子信息科学的发展,在量子隐形传态、量子保密通讯、量子计算等的实现上,超短脉冲也发挥了巨大的作用。 随着超短脉冲应用的需求,超短脉冲制备技术在几十年间也有了巨大的发展,从开始的皮秒脉冲发展到如今的阿秒脉冲。随之而来的是对超短脉冲的测量方法的进一步需求。为了准确的测量超短脉冲,人们先后采用了光电采样法、直接测量法、强度自相关法、自参考光谱位相相干重建法(SPIDER)、频率分辨光学门法(FROG)以及进一步改进的GRENOUILLE和MIIPS方法。这些技术手段从最初的光电采样法和直接测量法的皮秒范围的测量精度,到现今广泛采用的SPIDER和FROG方法飞秒精度下的测量,在测量精度上有了巨大的发展。然而无论是SPIDER还是FROG方法,都对被测脉冲的强度有一定的要求,因此超弱超短脉冲,尤其是在量子信息领域广泛使用的单光子超短脉冲的测量至今没有非常好的方法。 本文通过对光子不可区分度的分析,提出了一种通过测量光子不可区分度间接测量超短脉冲光的方法,可以较为准确地得出包括被测脉冲时间长度和脉冲形状在内的特定形状的被测脉冲的光谱信息。进一步的,我们可以把这种测量扩展到任意分布的复杂形状脉冲,也能得出较好的结果。