自发参量下转换产生的光子源的波粒二象性及其量子特性研究.doc

自发参量下转换产生的光子源的波粒二象性及其量子特性研究【摘要】：自发参量下转换也被称为参量荧光或参量散射,在量子光学中是一个重要的过程,尤其是作为纠缠光子源或单光子源。白发参量下转换(SPDC)是一个高能量光子利用守恒条件,同时生成两个低能量光子的过程,两个低频光子在空间、时间以及能量方面有很高的相互关联性质,此过程通过下转换晶体的非线性效应完成。现在,SPDC过程被称作是生成强关联光子对最成功的方案之一,能通过此过程生成宣布式单光子源,在基础研究、量子通讯、量子度量学和量子计算等学科和方向有着极其重要的应用。自发参量下转换最初过程是发生在光学参量振荡器中,通过光学参量放大输出种子光。基于光学参量技术的光学参量振荡腔(OPO)进展很快,特别是脉冲OPO的迅速发展,弛豫时间可以从纳秒到皮秒以至于飞秒,光谱从近紫外到红外,可以弥补之前激光器的不足之处。由于光学参量振荡器具有这些优点,可以将之应用于诸多研究领域,并在基础研究和相关领域的应用方面具有良好的发展前景。本文的主要工作如下：1.利用自发参量下转换过程产生宣布式单光子源,通过马赫曾德干涉仪,得到了从纯态到混合态的波粒二象性和量子不确定性之间的关系,实验结果与理论分析基本一致,并分析了波动性与粒子性的变化关系。2.在多光子情况下,引入高阶可见度和高阶不可区分性(distinguishability)两个新的算符,利用SPDC过程产生双光子源,基于马赫曾德干涉仪,研究了双光子情形下一阶和二阶的波粒二象性关系,可以增强人们对波粒二象性关系的理解。3.利用锁模的钛宝石激光器,基于同步泵浦光学参量振荡器(SPOPO),振荡腔内采用类共线下转换晶体,得到简并的信号光与闲置光；用PDH锁腔技术和自零拍测量系统,得到了飞秒脉冲强度压缩光,实验结果与理论预测基本符合。4.研究了同步泵浦光学参量振荡器,利用本底振荡光路引入的位相并根据PDH锁腔方法和平衡零拍探测装置,获得了飞秒脉冲正交位相压缩光。本文有以下几个创新点：1.通过SPDC产生的宣布式单光子源,得到输入态是单光子态时的波粒二象性和量子不确定性之间的关系。2.通过自发参量下转换产生双光子源,得到高阶波粒二象性关系。3.利用钛宝石锁模激光系统,搭建了SPOPO,获得了明亮的强度压缩光。4.通过引入本底振荡光位相信息,基于SPOPO,利用平衡零拍测量装置,得到脉冲正交位相压缩光。【关键词】：飞秒脉冲SPDC单光子SPOPO波粒二象性【学位授予单位】：山西大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2013【分类号】：O431.2【目录】：中文摘要10-12ABSTRACT12-14第一章绪论14-241.1单光子源的产生14-171.1.1量子点14-151.1.2色心151.1.3原子相干介质151.1.4衰减脉冲光15-161.1.5自发参量下转换(SPDC)16-171.2自发参量下转换过程及其应用17-181.3光学参量振荡器18-211.3.1引言181.3.2光学参量振荡器的基本原理18-191.3.3同步泵浦光学参量振荡器(SPOPO)19-211.4本文的主要内容21-22参考文献22-24第二章波粒二象性和量子不确定性之间的关系：纯态到混合态24-422.1引言24-252.2基本原理25-282.2.1单光子干涉25-262.2.2理论分析26-282.3实验装置28-292.4实验结果29-332.5后选择方案33-352.6前选择和后选择方案等效性35-382.7小结38-39参考文献39-42第三章高阶波粒二象性42-523.1引言423.2理论42-463.3实验46-483.4讨论48-493.5小结49-50参考文献50-52第四章基于SPOPO脉冲强度压缩光的产生52-764.1引言52-534.2光学频率梳53-574.2.1锁模激光器介绍53-544.2.2锁模激光器频谱54-554.2.3飞秒光学频率梳的产生55-574.3基本原理57-664.3.1共振纵模57-584.3.2场分析584.3.3相互作用哈密顿量58-594.3.4海森堡方程59-614.3.5阈值以下SPOPO61-664.4实验过程66-714.4.1实验装置664.4.2锁腔和锁相原理66-704.4.3实验结果与分析70-714.5小结71-72参考文献72-76第五章基于SPOPO的脉冲正交位相压缩光的产生76-865.1引言765.2理论分析76-795.3实验过程79-815.3.1实验装置79