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。     

Ⅰ类自发参量下转换光谱圆环空间分布

理论模拟了I类自发参量下转换产生的相关光子光谱圆环的空间辐射角度及光强分布,搭建了相关光子圆环光强分布的实验测量装置,该装置利用355 nm连续激光器泵浦BBO晶体产生I类自发参量下转换相关光子圆环,使用CMOS传感器作为相关光子圆环探测单元,通过2×2维点阵扫描方法探测了完整的相关光子圆环,测量的光谱分布为430～860 nm.实验结果表明:测量的相关光子圆环直径与理论值符合较好;Ⅰ类自发参量下转换过程产生的相关光子在空间呈同心圆环分布;相关光子光谱具有宽光谱分布特点.     

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.     

I类自发参量下转换光谱圆环空间分布

理论模拟了I类自发参量下转换产生的相关光子光谱圆环的空间辐射角度及光强分布,搭建了相关光子圆环光强分布的实验测量装置,该装置利用355nm连续激光器泵浦BBO晶体产生I类自发参量下转换相关光子圆环,使用CMOS传感器作为相关光子圆环探测单元,通过2×2维点阵扫描方法探测了完整的相关光子圆环,测量的光谱分布为430~860nm.实验结果表明:测量的相关光子圆环直径与理论值符合较好;I类自发参量下转换过程产生的相关光子在空间呈同心圆环分布;相关光子光谱具有宽光谱分布特点.     

共线和非共线模式下单光子探测器定标比对实验研究

采用相关光子法定标单光子探测器的量子效率对提高光学载荷的辐射定标准确度具有重要意义.利用355nm连续激光泵浦BBO晶体产生Ⅰ类自发参量下转换,在共线和非共线两种相位匹配模式下分别测量了单光子探测器雪崩光电二极管在736nm波段的量子效率.结果表明,共线和非共线两种模式测量结果的合成不确定度分别为0.71%和0.39%,相对偏差均优于0.4%,这两种模式都可以定标探测器量子效率,且具有很好的一致性.最后比较了两种模式定标探测器量子效率的优缺点,该研究为以后利用相关光子法对遥感器进行辐射定标提供了晶体相位匹配模式选择的依据.     

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%.     

基于相关光子多模式相关性的InSb模拟探测器定标方法

利用基于参量下转换产生的相关光子可以实现“无溯源”的绝对定标. 将该方法推广应用于模拟探测器定标的过程中, 获取两路模拟光电流信号的有效相关信息是主要难点. 在相关光子的多模式相关性理论模型的基础上, 提出了一种新的光电流处理方案. 通过将某一时刻采集到的光电流所包含的电荷量转换为等效光子计数, 采用双光路平衡探测和双通道数据波动校正的技术思路, 开展了红外模拟探测器量子效率定标验证实验研究. 利用532 nm单波长激光器为抽运源、PPLN晶体为非线性晶体, 在25 ℃工作温度下获取了631和3390 nm的相关光子对, 定标了InSb红外模拟探测器在3390 nm处的绝对功率响应度. 结果表明, 对InSb模拟探测器的合成不确定度为7.785%. 根据量子效率与绝对功率响应度之间的函数关系, 定标结果与国内计量单位的校准结果的相对偏差为3.6%. 利用多模式相关性在模拟信号下实现红外模拟探测器的绝对功率响应度定标在国际上暂无此方面的报道, 该方法验证了应用多模式相关性理论开展模拟探测器定标方法的可行性, 对于探索基于相关光子的定标技术和拓宽辐射定标应用领域具有重要意义.     

基于光子晶体光纤关联光子对频谱特性的研究

为了研究光子品体光纤在800 nm波段关联光子对的频谱特性.基于自发四波混频得到了脉冲抽运光产生的光子对的相位匹配函数和频谱甬数.数值计算、证明闲频光中心波长取796 nm时的频谱对称性最好;在假设闲频光频率为单一频率的前提下,利用简化频谱函数的表达式,通过改变光子晶体光纤零色散点色散斜率和非线性系数,以及抽运光的入射中心波长,进一步讨论了抽运光和光子晶体光纤参数变化对信号光和闲频光频谱函数的影响及变化规律.提出了有利于产生高纯度纠缠光子对的光纤参数和抽运光参数,结果对于在800 nm波段发展光子晶体光纤纠缠光子源的实验具有指导和参考意义.     

泵浦光的入射角对参量下转换的影响

利用参量下转换制备相关光子实现对各类探测器的量子效率的定标,是近年来兴起的新型定标技术。由于参量下转换的光子转换效率低,探测器输出信号信噪比小。采用短波激光器泵浦PPLN周期极化性晶体,可获得较大功率的参量光。分析了泵浦光在PPLN晶体端面的入射角对参量光的转换效率、空间分布、参量带宽及晶体周期的影响,并进行了数值模拟。分析发现当泵浦光正入射晶体端面时,参量光功率转换大,带宽小,发散角大;随着泵浦光入射角度逐渐增大,参量下转换的转换效率降低,相关光子的带宽变小,发散角变小且参量光的中心波长的空间位置会发生相对偏移。该研究结果可为相关光子探测、模拟探测器量子效率的高精度定标提供理论依据。     

基于连续和脉冲激光泵浦的相关光子实验比对

为在相关光子定标技术工程化过程中选择合适的泵浦机制及相位匹配模式,开展了基于连续和脉冲激光的相关光子比对实验.采用355nm连续激光泵浦偏硼酸钡晶体产生相关光子对,对晶体吸收、透射损耗以及光学元件透过率进行测量和修正,同时使用基于时间幅度转换的符合测量方法,得到单光子探测器量子效率为59.15%.利用518nm脉冲激光泵浦周期极化磷酸钛氧钾晶体,采用准相位匹配技术获取相同波段的相关光子,基于时间幅度转换的符合测量方法得到单光子探测器量子效率为59%.比对实验结果,两套定标装置方法的测量结果之差在0.25%以内,主要误差来源于单光子探测器的响应非线性、光路透过率修正误差和单光子探测量子效率面非均匀性.实验结果验证了相关光子定标技术可随时随地复现的优点,以及相关光子定标结果不受泵浦机制差异和实验装置差异的影响,可为相关光子技术工程化中的激光器工作模式和相位匹配方式的选择提供参考依据.     

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.     

长光纤中拉曼光子时间模式的影响因素研究

在有损耗、色散和自相位调制的影响下,通过分段分析法计算了自发拉曼散射光子的二阶相关函数,研究了长光纤中脉冲光泵浦下自发拉曼散射的时间模式特性。研究结果表明：在无色散和自相位调制的情况下,自发拉曼散射光子的二阶相关函数不受泵浦光损耗的影响,仅由泵浦光脉宽和拉曼光子相干时间之间的比值决定,与自发参量下转换光子的二阶相关函数具有相同的表达式;在有色散和自相位调制的情况下,由色散和自相位调制共同引起的泵浦光脉宽变化,以及泵浦光和拉曼光子间色散致走离,使拉曼光子的时间模式发生改变。自发拉曼散射光子的二阶相关函数取决于光纤损耗系数、色散参数和初始泵浦光脉宽等因素,不再与自发参量下的转换光子相同。     

一种新型的红外辐亮度绝对定标方法研究

介绍了一种新型的辐亮度绝对定标的方法原理和实验装置。采用355 nm激光抽运偏硼酸钡(BBO)晶体,产生两个下转换光子波长分别为532.75 nm和1064 nm。利用这对可见-红外下转换相关光子对在时间、空间上的高度相关性,在红外下转换光子方向注入1064 nm待测激光光源,通过测量532.75 nm的下转换光子信号的光子计数,实现1064 nm激光光源辐亮度的绝对定标,并将红外波段的测量转移到了可见光谱区域内。改变待测激光光源的功率,实验结果显示具有较好的线性。实验过程中设置输入光功率为3.39 mW,在对系统的各项损耗和效率进行评估的基础上,测量得到相应的辐亮度大小为4.09×1017W/(m2.sr),相对不确定度为4.78%。     

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。     

基于参变下转换效应的光辐射定标方法

介绍了一种新型的基于参变下转换效应的光辐射绝对定标方法,利用固体钛宝石激光器倍频后产生的351 nm的激光光源抽运非线性BBO晶体,制备了一对简并的参变下转换光子对(波长为702 nm),并利用晶体的角度调谐特性,制备了另一对非简并的参变下转换光子对(波长为633 nm和789 nm).定标了光电倍增管的量子效率,介绍了实验原理和定标装置,系统分析了测量过程中引入的不确定度.结果表明,参变下转换效应光辐射定标方法的相对合成不确定度小于5.5%.参变下转换定标方法与传统的基于标准探测器的辐射定标方法作了一个比对,表明两种定标方法相对误差小于10%.     

碲镉汞模拟探测器量子效率定标方法

为测量红外模拟探测器量子效率,搭建了基于参量下转换效应的测量系统.利用光学参量振荡器调谐输出的2 576.5nm波长连续激光束作为泵浦源、ZnGeP2晶体作为非线性晶体,获取了3.42μm和10.4μm的相关光子对.实验中通过将采集到的两个通道的光电流/电压信号转换为等效光子计数,并利用两光路平衡测量的方法对每个模式的平均光子计数进行校正,实现了碲镉汞红外模拟探测器在10.4μm处的绝对功率响应度定标,得到了相对合成不确定度优于4.53%的定标结果.     

飞秒脉冲正交位相压缩光的产生

利用锁模飞秒脉冲激光二次谐波为抽运源, 同步抽运单共振光学参量振荡器, 抽运光中心波长为425 nm, 重复率为76 MHz, 脉宽180 fs, 光学振荡器下转换晶体采用Ⅰ类共线PPKTP, 实验上实现了压缩度为2.58 dB的正交位相压缩光.考虑到实验系统的效率, 可以推知光学参量振荡器输出的下转换光压缩度为 4.48 dB. 关键词： 同步抽运光学参量振荡器 压缩光 锁模飞秒脉冲     

抽运能量对受激布里渊散射光限幅特性的影响

采用布里渊噪声起源模型,数值模拟了受激布里渊散射介质CCl4对波长1064nm的Nd：YAG纳秒激光脉冲的传输特性及光限幅特性。入射抽运脉冲能量较低时,非线性介质对纳秒激光脉冲呈光学透明。入射抽运脉冲能量高于受激布里渊散射产生阈值后,透射脉冲峰值受限,脉宽压缩,能量趋于饱和,说明该光学系统同时具有光功率限幅和能量限幅的光限幅特性。利用理论模型模拟了如下光限幅参量：透射脉冲峰值功率、透射能量、能量透射率、脉宽压缩率依赖抽运光能量的变化关系。相应的理论模拟计算结果由实验进行验证,实验结果与理论模拟相符合。     

脉冲抽运光啁啾对全光纤量子关联光子对纯度的影响

信号与闲置光子波长均为1550 nm 通信波段的全光纤关联光子对源, 具有低成本以及可与现有光纤网络低损耗连接的特点. 进一步优化其纯度, 将有助于提高这种量子光源的实用化程度.当抽运脉冲光在光纤中传输时, 由于色散和Kerr非线性效应的影响, 会不可避免地引入啁啾. 本文利用脉冲激光抽运零色散位移光纤, 研究了抽运光啁啾对关联光子对纯度的影响. 结果表明, 通信波段小失谐关联光子对的纯度随啁啾的增大而下降. 若采用变换极限的锁模激光为抽运源, 将有助于抑制Raman散射对自发四波混频的影响, 提高光子对的纯度. 关键词： 关联光子对 光纤 自发四波混频 啁啾     

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。