基于相关光子的单光子探测器量子效率测量系统

为准确测量近红外波段单光子探测器量子效率,搭建了基于自发参量下转换效应的测量系统.系统利用中心波长为518nm的脉冲激光泵浦周期极化磷酸氧钛钾晶体,通过自发参量下转换过程产生相关光子对,分别测量了Si和InGaAs雪崩光电二极管单光子探测器在778nm和1 550nm波长点的量子效率,并对测量不确定度进行了分析.实验表明,该装置可以测量近红外单光子探测器量子效率参量,测量不确定度均优于1%.     

基于相关光子的多模式空间相关性定标光电倍增管的量子效率

从理论和实验上介绍了一种基于相关光子的多模式空间纠缠特性新型定标方法,实现了光电倍增管的量子效率绝对定标。该方法利用355 nm连续紫外激光器抽运BBO非线性晶体,不仅制备了一对710 nm/710 nm的简并相关光子和一对700 nm/720 nm的非简并相关光子,并且定标了光电倍增管的量子效率。同时介绍了实验原理和定标装置,并且对定标结果进行了不确定度分析。结果表明,利用相关光子的多模式相关性光辐射定标方法的相对合成不确定度小于4.7%。基于相关光子多模式空间相关性获得光电倍增管的量子效率,修正后并与出厂检测结果进行了比对,信号光通道的相对差异分别为10.3%、10.2%,空闲光通道的相对差异分别为12.9%、8.95%。初步验证不依赖时间符合测量的方法,只需对两路的光子计数进行统计,即可实现探测器量子效率的绝对定标。     

利用关联光子对多波段标定单光子探测器效率

利用光子晶体光纤中产生的一对波长可分别在750 nm～880 nm和1310 nm～1620 nm范围内连续调谐的量子关联光子,对一台待测单光子探测器在覆盖O,C和L三个通信波段的多个选定波长处进行了量子效率的标定测量。该方法可用于在这三个波段内任意波长处绝对标定单光子探测器的量子效率。     

基于光纤的量子椭圆偏振光测量装置

利用基于光纤的便携式偏振纠缠光子对源作为检测光源,搭建了使用单模光纤进行耦合的量子椭圆偏振光测量装置。实验测量了氧化层厚度为100nm的氧化膜硅片样品,通过将偏振纠缠光子对中的一路经由氧化膜硅片样品进行反射,然后借助双光子符合计数方法测量反射后的量子态,得到了样品的椭圆偏振参数。当入射到样品上的光子波长为1 558.17nm,入射角为30°时,通过三次实验所得的椭圆偏振参数(ψ,Δ)的平均值分别为40.23°和173.10°,标准差分别为0.046°和0.403°,测量结果的相对标准偏差小于1%,同时该结果与仿真模拟值相符。     

基于周期极化晶体MgO:PPLN的纠缠光子对制备过程的研究

基于二阶非线性效应的自发参量转换技术制备纠缠光子对过程中,以掺5 mol%MgO:PPLN周期极化晶体为研究对象,将光参量变换过程中的动量守恒和能量守恒条件与该晶体的色散方程,以及晶体极化周期随温度变化的热膨胀方程相联系,得到了355 nm、405 nm、532 nm、780 nm和1 064 nm这5个实验室常用波长点在制备纠缠光子对时的周期调谐特性和温度调谐特性。研究过程中发现,出现了晶体极化周期过小和产生两对纠缠光子对问题,总结并归纳了各波长点在一定极化周期和温度下与非线性晶体作用所产生的纠缠光波段范围。当选用其他非线性周期极化晶体进行实验时,改变QPM动量守恒条件中的极化周期项,同时根据具体使用的晶体改变色散方程。该研究方案可直接推广到使用不同非线性晶体产生通信光波段或红外光波段的纠缠光子对研究中,在制备量子光源等领域具有重要研究价值。     

超短脉冲抽运下频率一致纠缠光源量子特性实验研究

利用自发参量下转换过程产生的频率纠缠光源在量子信息处理及相关领域中 具有十分重要的应用. 本文利用中心波长为792 nm, 脉冲宽度小于20 fs的脉冲激光源抽运满足II类准相位 匹配条件的周期极化磷酸氧钛钾晶体, 实验产生了偏振相互正交的频率一致纠缠光子对. 基于Hong-Ou-Mandel干涉仪的二阶量子符合干涉装置, 测量到该纠缠双光子对的干涉可见度约为42%, 表明其频率不可分特性较理想频率一致纠缠光源大大降低. 通过理论分析给出, 由于超短脉冲光源对应的宽频谱带宽影响, 相位匹配函数中的高阶色散项不再忽略, 从而导致纠缠光子对的频率不可分性减弱. 进一步利用实验参数给出的数值模拟结果与实验结果符合, 证实了脉冲抽运源带宽对频率一致纠缠光源的量子不可分特性的影响. 关键词： 频率一致纠缠 Hong-Ou-Mandel干涉测量 符合计数     

相关光子定标的符合测量精度分析

采用355nm连续激光泵浦BBO晶体产生参量下转换效应,搭建了相关光子辐射定标实验装置,使用时间数字转换和时间幅度转换两种符合测量方法进行比对测量,定标了不同光子速率下雪崩光电二极管在737nm波段的探测效率,分析了在高光子计数率下死时间和后脉冲等因素对符合测量选取符合门宽和意外符合的影响,比较了不同光子计数速率的测量结果并分析符合测量的修正因素,修正后两种测量结果的相对偏差优于0.25%.采用时间间隔技术测量了不同光子计数率的后脉冲概率,为提高单光子探测器的计数精度和相关光子定标的精度提供依据.     

基于相关光子的光辐射定标方法研究

为提高定标精度,提出一种基于相关光子的光辐射定标方法,它是一种独立于基于辐射源和基于探测器的定标方法。利用351．1 nm的激光抽运BBO晶体产生的相关光子,建立了一套基于相关光子的光辐射定标系统,分析了它的原理和实验装置,给出符合测量系统,并对结果进行了讨论。结果表明,该系统定标的光电倍增管(R2949)在702．2 nm的量子效率为(5．960±0．003)%,与其在这一波长的量子效率典型值的相对误差约为1．0%,测量结果的相对合成标准不确定度为2．61%。     

通信波长频率一致纠缠光源的频谱测量

本文利用光栅单色仪实现了对超短脉冲抽运周期极化磷酸氧钛钾晶体产生的通信波长频率一致纠缠光子源的频谱特性分析.测量到双光子的联合频谱呈正关联分布,为频率一致纠缠光源.信号光、闲置光中心波长分别为1574.4 nm和1574.9 nm,频谱宽度分别为35.3 nm和37.6 nm,双光子符合包络宽度约为3 nm.根据单光子频谱宽度与双光子符合包络宽度的比值可以得到双光子的频率纠缠参量R约为12,表征了信号光子与闲置光子之间具有较高的频率纠缠度.     

基于纠缠光子方法测量光电探测器量子效率的研究

光辐射传感器的定标是保证遥感数据精度及可利用价值的基础支撑技术。现行辐射定标方法都需要建立高精度初级标准及标准传递链，传递环节是误差的主要来源。纠缠光子理论为实现“无标准传递”的辐射定标开辟了崭新的技术途径。报道了在光子计数模式下利用非线性光学的非经典效应绝对定标光电探测器的新方法，测量是通过BBO非线性晶体的参量下转换形成的702nm简并的纠缠光子方法来实现的。实验测得光电倍增管在该波长处的量子效率，结果显示有0.1%的偏差。该方法本身具有绝对性，不依赖于任何外部定标的辐射标准。     

两个独立全光纤多通道光子纠缠源的Hong-Ou-Mandel干涉

独立光子源的干涉是实现复杂量子体系应用(比如多光子纠缠态产生和量子隐形传态等)的核心技术.利用100 GHz密集波分复用技术,实现了1.55μm全光纤多通道独立纠缠光子源的Hong-Ou-Mandel干涉,在不去除暗符合(随机符合计数)的情况下,可见度为53.2%±8.4%,去除暗符合可见度可达到82.9%±5.3%.给出了关于色散位移光纤中基于自发四波混频过程产生的单光子光谱纯度严格的理论描述,模拟了抽运脉冲宽度和滤波器带宽对单光子光谱纯度的影响,并给出了理论上的最佳条件(最佳的抽运脉冲宽度为8 ps,高斯滤波器带宽为40 GHz及以下).在测量Hong-Ou-Mandel干涉之前,先测量了液氮冷却状态下的色散位移光纤关联光子源的符合和随机符合比率,在抽运功率为23μW的情况下,最大比率可以达到131.Hong-Ou-Mandel干涉在高精度光学测量、测量装置无关的量子密钥分配等应用中扮演着极为重要的角色.     

Highly sensitive visible-blind extreme ultraviolet Ni/4H-SiC Schottky photodiodes with large detection area

Ni/4H-SiC Schottky photodiodes of 5 mm x 5 mm area have been fabricated and characterized. The photodiodes show less than 0.1 pA dark current at -4 V and an ideality factor of 1.06. A quantum efficiency (QE) between 3 and 400 nm has been calibrated and compared with Si photodiodes optimized for extreme ultraviolet (EUV) detection. In the EUV region, the QE of SiC detectors increases from 0.14 electrons/photon at 120 nm to 30 electrons/photon at 3 nm. The mean energy of electron-hole pair generation of 4H-SiC estimated from the spectral QE is found to be 7.9 eV.     

The QE numerical simulation of PEAsemiconductor photocathode

Several kinds of models have already been proposed to explain the photoemission process. The exact photoemission theory of the semiconductor photocathode was not well established after decades of research. In this paper an integral equation of quantum efficiency (QE) is constructed to describe the photoemission of positive electron affinity (PEA) of the semiconductor photocathode based on the three-step photoemission model. Various factors (e.g., forbidden band gap, electron affinity, photon energy, incident angle, degree of polarization, refractive index, extinction coefficient, initial and final electron energy, relaxation time, external electric field and so on) have an impact on the QE of the PEA semiconductor photocathode, which are entirely expressed in the QE equation. In addition, a simulation code is also programmed to calculate the QE of the K₂CsSb photocathode theoretically at 532 nm wavelength. By and large, the result is in line with the expected experimental value. The reasons leading to the distinction between the experimental and theoretical QE are discussed.     

基于光子晶体光纤的高纯度量子关联光子对的制备

使用脉冲光在室温下抽运一根长1 m 的高非线性光子晶体光纤, 产生了中心波长分别位于830 nm 和1411 nm的具有量子关联性的闲频与信号光子. 实验中闲频和信号通道的带宽分别是15 nm和35 nm. 对单通道光子计数率的拟合结果显示光子几乎全部来源于光纤中的自发四波混频过程, 未受到Raman散射噪声的影响. 当闲频和信号通道的光子产生率约为每脉冲0.0085个时, 测得符合计数率与随机符合计数率的比值为102, 接近理论极限, 不仅证明了光子对的低噪声性, 而且表明所产生的光子对本身具有窄带频谱特性, 因而实验中对其收集效率很高. 此外, 这种高纯度关联光子对还联接了不同波段, 在量子信息技术中有着潜在的应用.     

基于Ⅱ类周期极化铌酸锂波导的通信波段小型化频率纠缠源产生及其量子特性测量

自发参量下转换过程制备的纠缠光源在量子光学及其相关领域有着广泛的应用.本文利用780 nm的分布式布拉格反射镜激光二极管抽运一块长10 mm的Ⅱ类准相位匹配的周期极化铌酸锂波导,产生了偏振正交的频率反关联纠缠光子对.通过实验结果与理论的完美结合得到,当进入波导的抽运光功率为44.9 mW时,下转换双光子对的产生速率为1.87×10~7s~(-1).利用单色仪对下转换光子的频谱进行分析,得到信号和闲置光子的中心波长分别为1561.43 nm和1561.45 nm,频谱宽度为3.62 nm和3.60 nm,双光子符合包络宽度约为3.18 nm,可以得到双光子的频率纠缠度为1.131.00,表征了双光子的频率纠缠特性.利用Hong-Ou-Mandel干涉仪测量双光子的二阶量子干涉特性,测得的干涉可见度为96.1%,干涉图谱的凹陷宽度为1.47 ps.     

Generation of high-purity telecom-band entangled photon pairs in dispersion-shifted fiber

We study the purity of correlated photon pairs generated in a dispersion-shifted fiber at various temperatures. The ratio of coincidence to accidental-coincidence counts greater than 100 can be obtained as the fiber is cooled to liquid-nitrogen temperature (77 K). We then generate polarization-entangled photon pairs by using a compact counterpropagating scheme. Two-photon interference with visibility >98% and Bell's inequality violation by >8 standard deviations of measurement uncertainty are observed at 77 K, without subtracting the accidental-coincidence counts due to background Raman photons.     

LED作为量子效率仪中单色光的可行性研究

随着LED技术的不断进步,已发展出多种波长的大功率LED,不用昂贵的单色仪,而采用各种波长的LED作为单色光来制造量子效率仪;也不需要旋转滤色片轮切换滤色片来避免光栅单色仪中高级次光谱的影响。LED作为单色光,可实现无机械运动、测量速度快、故障率低的优点。多只LED焊接在PCB上形成离散型光源,无法采用常规的椭球面反射镜、透镜或凹面反射镜进行汇聚。采用高反射率反射镜片制备成锥形光导管,将离散型光源发出的光汇聚为一个小光斑,可以很好地解决离散型光源汇聚难的问题,同时实现了高的光利用率。通过测量LED的波峰值、半峰宽和稳定性,并与传统的卤素灯和氙灯为光源的传统量子效率仪进行比较,发现单色光的波峰值与量子效率的测量准确性是正相关的,波峰值越高,测量的准确性越高;半峰宽在5.1~9.5 nm范围内,半峰宽对测量的准确性没有影响。采用LED、卤素灯和氙灯量子效率仪分别测试同一块太阳电池的量子效率,计算相同波段的积分电流,与世界先进的氙灯量子效率仪相比,相对偏差为0.34%,与卤素灯量子效率仪的相当,说明半峰宽在5.1~55.7 nm范围内,测量准确性与半峰宽无明显的相关性;LED的不稳定度为0.4%,介于氙灯和卤素灯之间。从这几个方面来看,LED是可以作为单色光用于量子效率的测试。     

An ultra-bright two-photon source with a type-I bulk periodically poled potassium titanyl phosphate

We experimentally demonstrate an ultra-bright two-photon source with a type-I bulk periodically poled potassium titanyl phosphate. With the 390 nm cw laser from our home-made frequency doubler in a ring cavity as the pump, we detect about 340 k/s coincidence counts with a pump power of 0.11 mW in a Hanbury–Brown–Twiss-type experiment, which corresponds to the production rate of 94 MHz/mW with 40 nm bandwidth. With a 3 nm interference filter, we detect about 11.5 k/s coincidence counts with the same pump power, corresponding to the production rate of 4.3 MHz/mW/nm. This is very promising for many applications in quantum information field, such as transferring the information between a photon and an atomic system and so on.     

多波段相关光子光谱分布与时间相关性测量实验研究

基于相关光子的定标技术能够实现“无标准传递”绝对定标,研究相关光子的光谱辐射特性及时间相关特性对遥感器在宽波段的辐射定标具有重要意义。为满足光电探测器在宽谱段量子效率定标需求,基于相关光子的定标技术有必要从单一波段向更多波段扩展。根据自发参量下转换所满足的相位匹配条件,推导出相关光子在晶体内的非共线角计算公式,通过数值模拟相关光子光谱辐射角度分布规律,优化晶体相位匹配角,使得自发参量下转换产生的相关光子具有宽光谱分布,并且相关光子辐射角度与光谱波长能够一一对应。根据光谱分布数值模拟结果,建立了多波段相关光子的光谱分布和时间相关性测量实验系统,利用该系统测量了四对相关光子的光谱分布、符合计数、相关时间以及偏振特性。其中,测量的光谱分布范围为633~808 nm,最大光谱分布测量偏差为1.51 mm,光谱分布实验测量结果与数值模拟结果符合一致;测量了四对相关光子对的相关时间,最小相关时间为0.32 ns,并在实验中观察到了“符合三峰”现象;相关光子单光子计数及符合计数与泵浦光的偏振方向呈正弦函数关系。实验研究表明,相关光子对具有可见光~近红外宽波段分布、时间相关及偏振特性。论文研究结果在国内外尚属首次报道,该研究结果有望应用于光电探测器在多波段的辐射定标。