金刚石氮-空位色心单电子自旋的电场驱动相干控制

金刚石氮-空位(nitrogen-vacancy,NV)色心量子体系因在室温条件下具有可实现单自旋寻址与操控、长量子相干时间等独特优势,在固态量子计算、量子精密测量等领域展现了巨大的应用潜力,其中单自旋的精确操控技术对于NV色心应用的发展尤为关键.NV色心量子体系中常用的自旋操控方法都是通过共振的交变磁场来驱动和操控NV色心电子自旋.本文开展了利用交变电场对NV色心电子自旋进行调控的技术研究.通过电极所产生的交变电场成功驱动了NV色心自旋在|ms=-1>与|ms=+1>两个△ms=±2的磁禁戒能级间的跃迁,并观测到受控自旋在相关能级的布居度周期性变化而展现出的Rabi振荡现象.进一步的研究表明,电场驱动Rabi振荡的频率受驱动电场功率的调控,与驱动电场的共振频率无直接关系.将自旋电控制技术与磁控制技术方法相结合,能够实现对NV色心3个自旋能级间直接跃迁的全操控.自旋电控制技术的发展将进一步推动NV色心量子体系在量子模拟、量子计算、电磁场的精密测量等领域研究和应用的发展.     

窄线宽全光纤激光器实现666 W高功率输出

搭建了一台主振荡功率放大（MOPA）结构的窄线宽全光纤激光器。利用噪声相位调制技术将单频激光线宽展宽至0.3 GHz,通过四级放大器结构对10 mW的窄线宽种子激光进行放大,获得了功率为666 W的窄线宽激光输出。该窄线宽激光器输出功率仅受限于泵浦功率,增加泵浦功率有望进一步提高输出功率。     

金刚石NV~-色心系综自旋相干动力学解耦

室温条件下高浓度的NV~-色心系综的相干时间受到较高浓度顺磁杂质和杂质自旋的影响,限制着其高灵敏磁传感的实现。为了增加NV~-色心系综的相干时间,本文对系综的动力学解耦(DD)过程进行研究。在外部磁场为40 G的条件下,通过连续光学磁共振光谱技术(CW-ODMR),首先确定电子自旋态|m_s=0→|m_s=±1共振跃迁对应的微波频率;构建脉冲控制序列,观测不同微波功率条件下系综NV~-色心自旋电子态|m_s=0→|m_s=+1的相干Rabi振荡,获得最优功率的π脉冲作用时间;基于典型的CPMG-n控制序列,研究最优脉冲作用下不同π脉冲个数的DD过程。在最大输入微波功率为1.30 mW的条件下,获得的π脉冲长度为28.8 ns;结合CPMG-32控制脉冲序列,系综的典型相干时间由372(3) ns提升至8.7(1)μs。该研究结果为后续高灵敏量子磁检测的实现奠定了实验基础。     

金刚石氮—空位色心温度测量激发激光误差抑制

基于金刚石氮-空位(NV)色心的温度传感技术，通过测量其基态子级之间的零场劈裂值(D)来实现对温度的感测。由于金刚石稳定性高，抗干扰能力强，可制成不同尺寸，NV色心测温方法被视为解决微纳米尺度温度高精度测量难题的一种重要技术途径，具有良好的应用前景。实验测量中，首先使用激光对色心进行电子自旋极化，然后使用微波对电子自旋进行调控，进而探测电子跃迁发出的荧光得到光学探测磁共振(ODMR)光谱，对谱线进行拟合分析获得D值。激光功率波动是重要的实验噪声来源之一，为了获得较高的极化率，需要足够的激光功率，然而较大激光功率下，光功率波动会影响电子自旋极化率，从而降低电子跃迁所发出荧光强度的稳定性，增加光谱的噪声，最终增大数据测量的误差。在常规测量中，不使用任何归一化参考的直接拟合法会将激光功率的波动直接反映在ODMR光谱上。为降低激光功率波动产生的误差，提出了一种特定编码的脉冲序列测量方法，可以在实验过程中获得不受微波调控的光子数参考值，对所探测的受到微波调控的光子数相对于参考值做归一化，从而输出归一化光谱。在实验室搭建的ODMR测量系统上开展了控温300 K的对比实验，考虑对脉冲编码序列两个时间...     

金刚石固态量子计算中的高分辨率成像

20世纪90年代中期,随着Shor算法和Grover算法的提出,量子计算领域得到广泛关注.金刚石固态NV色心方案作为量子计算机热门物理实现方案之一,因其在室温下的超长相干时间和可精确操控等独特优势而备受青睐;此外,NV色心还有望通过磁共振成像方式实现单核自旋探测.然而NV色心固态量子计算的一种扩展方式受限于相邻NV色心之间的磁偶极相互作用,要求两个NV色心之间相距只有数十纳米.这一尺度远小于普通远场光学的分辨率,即光学衍射极限,采用传统的共聚焦方法已无法分辨.受激发射损耗(STED)和基态损耗(GSD)等超分辨成像技术能够突破光学衍射极限限制,达到纳米量级的分辨率;同时结合最新的金刚石表面微纳刻蚀技术,可实现NV色心固态量子计算中不同色心的分辨和精确定位.该文从固态金刚石NV色心体系和光学衍射等主要方面对利用STED和GSD高分辨成像技术提高传统共聚焦显微镜对NV色心体系成像分辨率进行简要的介绍,并结合实例介绍一些最新的研究进展.     

泵浦激光器驰豫振荡噪声对光纤激光水听器的影响

对采用相位生成载波解调的光纤激光水听器系统中3kHz附近频域内固有噪声的产生机理进行了理论推导,并设计实验进行验证.首先测量得到泵浦激光器的驰豫振荡频率峰值,随后以400 Hz为间隔逐渐降低相位生成载波信号频率,观察固有噪声峰值的移动方向和大小.实验结果表明,随着载波信号频率的降低,固有噪声峰也向低频方向移动,移动间隔同样为400 Hz.可知相位生成载波解调算法中高频载波调制信号与泵浦激光器的驰豫振荡频率叠加是形成探测频谱固有噪声的主要原因.通过降低高频载波调制信号频率的方法对驰豫振荡噪声进行抑制,消除了探测频谱中的固有噪声峰,得到了较为平坦的本底噪声谱.     

固态金刚石氮空位色心光学调控优化

在金刚石氮空位色心的高灵敏传感探测研究中,光学调控是氮空位色心实现高效光学初态制备及信息提取的关键.本文基于高浓度的金刚石氮空位色心系综检测展开,采用脉冲光学探测磁共振技术,系统地研究了激光初态极化时间、信息读取时间与激光功率的关联特性,并进一步研究了激光入射偏振角与传感信息精度的关系.探究了各个激光参数对高浓度金刚石氮空位色心系综[111]轴上光学探测磁共振谱中第一个共振峰的影响,并通过实验结果进行分析,最终选取在光功率密度为45.8 W/cm~2下的最优实验参数(300μs的极化时间, 700 ns的读取时间,激光入射角为220°)进行了光学磁探测共振测试,与优化前的实验参数(极化时间为50μs,读取时间为3000 ns,入射角度为250°)相比,典型的磁检测灵敏度由21.6 nT/Hz1/2提升到5.6 nT/Hz1/2.以上研究结果表明我们已经实现光学精密调控的优化测量,这些研究结果也为高浓度氮空位色心系综精密调控实现温度和生物成像、量子计算及量子信息等领域调控传感检测提供了有效参考.     

780W全光纤窄线宽光纤激光器

高功率窄线宽光纤激光器在相干探测、功率光谱合成等方面具有广泛的应用前景.分析了高功率窄线宽光纤激光器中受激布里渊散射效应的抑制方法,以及正弦相位调制光谱展宽理论.采用正弦相位调制技术将单频激光器的线宽展宽至2.9 GHz,通过三级放大结构对输出功率为50 mW的窄线宽种子源进行放大,实现了中心波长1064.34 nm、线宽2.9 GHz、最大功率780 W的激光输出,光—光转换效率79%,光束质量M2x=1.44,M2y=1.43.分析了相位调制前后输出功率提高的原因,认为正弦相位调制增加的纵模降低了光纤中的功率谱密度,提高了输出激光的受激布里渊散射阈值,促使相位调制后的输出功率大幅提高.该激光器的输出功率仅受限于抽运功率,进一步提高抽运功率,有望实现更高功率的窄线宽光纤激光输出.     

基于次谐波调制光注入半导体激光器获取窄线宽微波信号的实验研究

实验研究了处于单周期振荡的光注入半导体激光器在频率等于单周期振荡频率一半的1/2次谐波调制下所产生的微波信号的特性.实验结果显示:在合适的注入条件下,处于单周期(P1)振荡的光注入半导体激光器可输出频率可达26.5 GHz、光谱具有单边带结构的光生微波信号,但微波信号的线宽比较宽(MHz量级);通过采用频率为单周期振荡频率一半的次谐波信号调制光注入半导体激光器,可将微波线宽从十几MHz压缩到几十k Hz.进一步分析了次谐波调制信号的功率以及频率对微波信号的相位噪声的影响,并在由次谐波调制信号的功率和频率构成的参数空间绘制出了能实现次谐波频率锁定的分布区域.     

室温铯原子气室窄线宽相干布居振荡光谱

相干布居振荡(coherent population oscillations, CPO)光谱是一种原子布居数调制光谱,主要利用两束位相锁定、频率差小于原子自发辐射线宽的耦合光和探测光与原子相互作用,激光强度调制会导致原子布居数相干振荡,实现窄带宽的探测光透射.本文基于L型原子能级结构,在室温铯原子系综中实现了相干布居振荡光谱,光谱典型线宽小于50 kHz,远低于5.2 MHz的自发辐射线宽. L型能级结构的相干布居振荡光谱线宽依赖多个简并能级系统的布居数关联振荡,其不要求原子态的相位关联,有利于在长激发态寿命的Rydberg原子系统中基于相干布居振荡获得窄线宽光谱,从而提高基于Rydberg原子光谱的精密测量的灵敏度.     

高重复频率锁模光纤激光器及其超连续谱产生

设计并实验研究了一种结构简单的主动调制锁模高重复频率窄脉宽光纤激光器。采用窄线宽连续激光调制4 GHz高重频后,通过拉曼增益孤子压缩效应将脉宽由27 ps压窄至2.6 ps。该高重频锁模激光泵浦一段300 m长高非线性光纤,同时脉冲被展宽至7.4 ps。产生的超连续谱平坦度20 dB宽带可达250 nm,功率波动为±0.2 dB。     

基于金刚石氮-空位色心自旋系综与超导量子电路混合系统的量子节点纠缠

量子纠缠是实现量子计算和量子通信的核心基础,本文提出了在金刚石氮-空位色心(NV centers)自旋系综与超导量子电路耦合的混合系统中实现两个分离量子节点之间纠缠的理论方案.在该混合系统中,把金刚石NV centers自旋系综和与之耦合的超导共面谐振器视为一个量子节点,两个量子节点之间通过一个空的超导共面谐振器连接.具有较长相干时间的NV centers自旋系综作为一个量子存储器,用于制备、存储和发送量子信息;易于外部操控的超导量子电路可执行量子逻辑门操作,快速调控量子信息.为了实现两个分离量子节点之间的纠缠,首先对系统的哈密顿量进行正则变换,将其等价为两个NV centers自旋系综与同一个超导共面谐振器之间的JC耦合;然后采用NV centers自旋-光子混合比特编码的方式,通过调节超导共面谐振器的谐振频率,精确控制体系演化时间,高保真度地实现了两个分离量子节点之间的量子纠缠.本方案还可以进一步扩展和集成,用于构建多节点纠缠的分布式量子网络.     

半导体泵浦铷蒸气激光实现线偏振基模输出

采用2400 1/mm的平面光栅搭建Littrow外腔压窄半导体激光器输出激光线宽,获得中心波长可调的线宽0.16 nm的半导体激光作为铷蒸气激光的泵浦源.实验中,使用斩波器将泵浦光变为脉宽1 ms,重复频率100 Hz的重复脉冲形式,聚焦进长度为8 mm的铷蒸气泡,泡内充入79 kPa甲烷作为缓冲气体.进入铷蒸气泡的泵浦光峰值功率为1.84 W时,控制铷泡温度在125℃,获得了峰值功率17.5 mW的基模线偏振铷激光输出.     

窄线宽1064 nm光纤激光泵浦高效率中红外3.8μm MgO:PPLN光参量振荡器

采用放大1064 nm掺镱光纤激光器作为泵浦源,实现了中红外3.8μm MgO:PPLN光参量振荡(OPO)激光输出。在泵浦源中,采用分布式反馈激光器(DFB)作为种子源来实现光纤激光窄线宽的调制,实现线宽2.5 nm到0.1 nm的压缩,最大平均输出功率可达40 W。进一步对不同泵浦线宽条件下中红外3.8μm MgO:PPLN OPO激光进行研究,最终在泵浦功率为18.1 W、线宽为0.1 nm、重频为1 MHz、脉宽为2 ns时,获得了最高平均输出功率为2.06 W的3822.5 nm激光输出,光-光转换效率为11.38%,光束质量为M2=2.34,提高了窄线宽泵浦对中红外MgO:PPLN OPO激光输出效率。     

自由空间宽谱部分相干光通信系统

大气湍流对自由空间光通信系统所造成的影响是不可忽略的，为了减弱湍流对空间光通信系统带来的影响，实验搭建了一套通信距离为900 m的真实大气信道宽谱部分相干光通信系统。系统采用皮秒脉冲泵浦高非线性光纤产生超连续谱并滤波得到部分相干宽谱脉冲，对其调制后完成通信。在测试过程中，实验专门设置了一条参考链路，保证了测试环境的一致性。实验结果表明，在中等湍流条件下，系统光强闪烁指数为0.035 8，相比窄线宽通信系统提升了23%，最低探测灵敏度达到了-23.35 dBm，相比窄线宽通信系统提升了42%。与窄线宽激光通信系统相比，宽谱部分相干光通信系统可以明显降低湍流引起的光功率抖动，并提升自由空间光通信系统通信性能。     

全频域下窄线宽激光器光谱线宽的分析

窄线宽激光器的线宽表征方式通常采用延时自外差法测量技术。该技术是通过延时光纤差拍产生一个与待测激光线宽相关的洛伦兹频谱,因此该频谱只具有单一的线宽表现形式。为了能够观察到激光器的线宽和频率噪声在其傅里叶频率分布下的完整特性,报道了一种基于β算法计算窄线宽激光器线宽的方法。该方法是结合频率噪声中的白噪声和1/f噪声分别诱导不同激光线型的理论,从而确定激光线宽。首先,对β算法的基本原理进行了详细的分析说明。通过基于维纳-辛钦定理,分析了窄线宽激光器不同频率范围内的频率噪声和激光线宽的依赖关系。阐明了在截止频率趋于0和无穷大的两个范围条件时,激光频谱特性从高斯线型向洛伦兹线型演变。同时推导出使两种线型转换的截止频率表达式,并将其转换为频率噪声函数,该函数定义为β分子线。此时频率噪声分量中高斯线型的总和即为激光线宽计算公式;其次,对窄线宽激光器的频率噪声和激光线型进行数值仿真。将通过OEwaves公司的OE4000互相关零差相位/频率噪声自动测试系统测得的频率噪声谱密度,带入β算法理论公式中。结果显示：1/f噪声导致激光呈现高斯线型,线宽随截止频率的增加而增大。而白噪声将导致洛伦兹线型,线宽不再随截止频率而改变。此外,在低频区域,频率噪声电平远大于其傅里叶频率,噪声调制系数较高,该部分噪声可以决定线宽大小。因此,高斯线型区域对应的频率噪声的积分,即为待测激光器的线宽;在高频区域,频率噪声电平与其傅里叶频率相差较小,频率波动较快,噪声对线宽影响可以忽略。并且频率带宽在截止频率范围内,计算的线宽误差较小。最后,实验上运用β算法对RIO公司的1 550 nm低噪声窄线宽激光器的频率噪声功率谱密度进行积分计算,成功获得了其不同傅里叶频率分布下对应的激光线宽值。其中β分子线将频率噪声中的白噪声和1/f噪声分隔两部分：当频率噪声谱密度大于β分子线时,激光即为高斯线型,线宽随频率积分带宽的增加而减少;而频率噪声谱密度小于β分子线时,激光呈现洛伦兹线型,线宽为定值不再改变。同时为了对β算法进行实验验证,搭建了延迟光纤为50 km、移频频率为60 MHz的延时自外差法测量系统。对注入电流为110 mA的RIO 1 550 nm低噪声窄线宽激光器的线宽进行实验测量,测量结果表明激光线宽为1.8 kHz,与上述β算法中2.8 kHz的频率带宽积分结果一致。充分证明了此算法的准确性。β算法可以对任意类型的窄线宽激光器进行线宽表征,对窄线宽激光器的研究具有重要意义。     

金刚石表面纳米尺度水分子的相变观测

水是自然界中最重要的物质之一,研究界面或受限体系的水分子动力学具有重要的科学意义.近些年新兴的基于氮-空位(NV)色心的纳米磁共振技术可以同时观测纳米尺度的核磁信号和温度.本文利用单个NV色心成功探测到金刚石表面纳米尺度水分子分别在固态和液态条件下的核磁信号,并通过改变温度成功观测到该纳米尺度水层的固-液相变.实验结果表明,基于NV色心的核磁共振技术可以有效地探测纳米尺度物质的结构和动力学行为,为纳米尺度受限体系相关科学的研究提供新的探测手段.     

光纤移频分布式布里渊光纤传感技术

提出了一种利用布里渊光纤环形腔移频技术实现分布式光纤布里渊传感的方法.该方法基于布里渊光时域分析法原理,将一束单纵模运转激光器输出的激光分为两束|一束光入射布里渊光纤环形腔中产生窄线宽的受激布里渊散射光作为斯托克斯光,另一束光经过低频相位调制后作为泵浦光|斯托克斯光和泵浦光分别相向入射进入传感光纤,通过测量布里渊谱得到光纤温度或应变.利用该方法可将十几GHz的微波频率转化为兆赫信号频率进行探测处理,仅需一台激光器,因此系统结构简单、成本低,还可减小激光器频率波动对测量准确度的影响.实验验证了该方法的可行性.     

F-P腔不同扫频段透射谱锁频精度实验

针对窄线宽激光器输出谱线窄,难以被锁定的情况,利用F-P腔特有极窄线宽、高精细度特性对激光器谱线线宽实施压窄及频率锁定。通过设计实验方案并搭建锁频测试平台,利用F-P腔外部光反馈将窄线宽半导体激光器线宽压窄来提高锁频精度。通过监测正弦波调制下F-P腔对于4种不同直流电压下激光PZT扫频段的透射谱线,并对其分别进行解调和锁频精度测试,得到直流高压放大器电压为73 V时对窄线宽激光器进行扫频,激光器反馈锁频精度最高可达1.5 MHz。     

基于7.6μm量子级联激光的光声光谱探测N_2O气体

近年来,气候变化对地球的生态环境产生严重影响,而大气温室气体在气候变化中具有重要的作用.一氧化二氮(N_2O)作为一种重要的温室气体,其浓度变化对大气环境产生重要影响,因此对其浓度的探测在大气环境研究中具有重要意义.本文开展了基于中国自主研发的7.6μm中红外量子级联激光的共振型光声光谱探测N_2O的研究,建立了N_2O光声光谱传感实验系统.此系统在传统的光声光谱探测的基础上优化改进,采用双光束增强的方式,增加了有效光功率,进一步提高了系统的探测灵敏度.探测系统以1307.66 cm~(-1)处的N_2O吸收谱线作为探测对象,结合波长调制技术对N_2O气体进行探测研究.通过对一定浓度的N_2O气体在不同调制频率和调制振幅的光声信号的探测,确定了系统的最佳调制频率和调制振幅分别为800 Hz和90 mV.在最优实验条件下对不同浓度的N_2O气体进行了测量,获得了系统的信号浓度定标曲线.实验表明,在锁相积分时间为30 ms时,系统的浓度探测极限为150×10~(-9).通过100次平均后,系统噪声进一步降低,实现了大气N_2O的探测,浓度探测极限达到了37×10~(-9).