脉冲模式非线性频率上转换的光子数量子统计特性研究

频率上转换技术在量子光学中的应用日益受到重视,而对脉冲模式的单光子水平的频率上转换的光子数量子统计和传递特性的理论研究还有待完善。在相互作用绘景下用三波混频方程重点讨论了时域上分别为连续相干光场和高斯脉冲相干光场的信号光和抽运光相互作用的非线性频率上转换过程中的光子数量子统计分布的保持和传递特性。结果表明在不同模式的信号光子和抽运光场相互作用下,非线性频率上转换过程可以传递和保持入射的信号光子的光子数量子统计分布特性,对于发展新型量子上转换器件和基于频率转换的量子操控器件有重要的参考意义。     

飞秒脉冲在透明材料中的三维光存储及其机理

使用经钛宝石啁啾脉冲放大的脉冲宽度为200fs、波长为800nm、重复频率为1kHz的超短脉冲激光束,紧聚焦到熔融石英中实现了三维逐位式光数据存储,记录下20层三维数据位点,利用CCD和数码相机对数据位进行了观察讨论了飞秒超短脉冲与透明介质的相互作用,以及产生等离子体的雪崩电离和多光子吸收电离的机理实验结果表明:在飞秒超短脉冲与透明光学介质的相互作用中起主要作用的是多光子吸收.     

多光子非线性Compton散射的能量转换

研究了多光子非线性Compton散射中电子与光子的能量转换及其转换效率.结果表明:散射光子频率随电子吸收光子数n的增大而增大,随碰撞非弹性成分ξ的增大而迅速减小.在超强激光场中,当极端相对论性电子与光子发生多光子非线性Compton散射且被光场俘获时,能量转换效率趋于无限大,即电子可以从超强激光场中获得巨大的加速能量.用高速电子束入射并与光子发生多光子非线性Compton散射,是提高非线性Compton散射能量转换效率的重要途径.     

利用高非线性光纤产生量子关联光子对的实验研究

光纤中基于三阶(克尔)非线性效应的自发四波混频是制备量子关联光子对的有效方法之一。若采用商售高非线性光纤作为产生光子对的非线性介质,则有利于减小所需光纤的长度,从而缩小实验装置体积并降低对于抽运源的要求。利用脉冲光抽运20m的高非线性光纤产生通讯波段的频率近简并关联光子对,研究了光纤的弱双折射特性对于光子对产生的影响。当抽运光沿高非线性光纤的偏振轴入射时,具有最大的光子对产生效率,且光子对绝大部分与抽运光偏振平行;抽运光沿与光纤偏振轴45°入射时,光子对的产生效率最小,约为最大值的80%。     

高功率高重复频率多波长飞秒激光系统的研究

以大模场面积光子晶体光纤飞秒激光系统为基频光源,利用非线性频率上转换的方法,获得了高功率高重复频率多波长的飞秒激光脉冲.理论分析并实验验证了聚焦透镜的焦距对倍频光横向模场分布的影响,透镜焦距越长,模场质量越好.在基频光平均功率为218 W,脉冲宽度为110 fs,重复频率为50 MHz的条件下,经过二倍频、三倍频和四倍频获得波长分别为520,347和261 nm的飞秒激光,其平均功率分别达105,47和214 W.二倍频和三倍频的转换效率分别为482%和216%,二倍频到四倍频的转换效率为20 关键词： 超快光学 紫外飞秒激光 频率上转换 光子晶体光纤激光器     

基于强非局域空间光孤子特性的光子开关和光子逻辑门

利用(1+1)维Snyder-Mitchell模型讨论了由强非局域介质构成的平面介质波导中同频率和同极化的双光束和三光束同向共同传输的相互作用过程，得到了任意斜入射双光束和三光束相互作用的精确解析解.强非局域空间光孤子的相互作用过程是其特殊情况.基于强非局域空间光孤子的相互作用原理， 提出了实现光子开关、光子“同”(XNOR)和“或非”(NOR)逻辑的新理论方案，并讨论这些基本光子信息处理器件的优化设计问题. 关键词： 强非局域非线性介质 空间光孤子的相互作用 光子开关和光子逻辑     

高非线性光子晶体光纤中优化产生宽带紫外三次谐波

通过非线性光学频率转换技术产生不同频率的脉冲辐射是实现具有短波波长的激光光源的有效手段.近年来,光子晶体光纤技术的发展为解决传统的基于非线性晶体的频率转换系统面临的难以维护、转换效率低、不易推广等问题带来了新的解决思路.在频率转换研究领域中,紫外光波段的脉冲辐射产生一直以来都受到学者的广泛关注.国外已报道过利用超短脉冲抽运光子晶体光纤实现三次谐波产生,从而输出具有高灵敏度和高分辨率的窄带紫外脉冲辐射,但其紫外光转换效率较低,且光谱的可调谐能力有限,而这些缺陷恰恰可以由宽带紫外脉冲辐射的获得来改善.宽带紫外脉冲辐射的有效获得不仅意味着紫外光转换效率可大幅提高,并且若加以合适的滤波手段,还可获得内任意波长下的窄带宽的脉冲辐射,从而增加窄带紫外脉冲辐射的可调谐度,但目前相关报道较为有限.本文将中心波长为1035 nm,脉冲重复频率为50 MHz的飞秒激光耦合至一定长度的高非线性光子晶体光纤中,将其产生的拉曼自频移孤子作为三次谐波产生的抽运源,通过相位匹配作用,在深紫外波段产生高阶模式传导下的三次谐波.随后让超短脉冲以偏离光纤轴心一定角度入射,可进一步激发出具有更短波长的超高阶紫外光模式.通过激发多个邻近的超高阶紫外光模式,在一定连续范围内实现相位匹配,获得超高阶紫外光模式传输下紫外光转换效率为3.6%的宽带(32—360 nm)深紫外脉冲激光.实验结果与理论模拟结果相一致.     

光子晶体光纤中受激布里渊散射慢光研究

基于受激布里渊散射的慢光在全光通信中具有重要的应用前景。传统的光纤作为慢光介质,具有较低的延迟效率,对光纤长度和抽运功率要求较高,而高非线性光子晶体光纤作为慢光介质应用于慢光系统,可以提高系统的延迟效率。实验选用一段70m长的高非线性光子晶体光纤作为慢光介质,在抽运功率101mW情况下,50ns脉冲信号获得了33dB的布里渊增益,脉冲延迟了30ns,延迟效率达到了0.0046ns/(mW.m),是普通单模光纤的13.7倍。该光纤应用于受激布里渊散射慢光系统可以有效缩短光纤长度和降低对抽运功率的要求,具有潜在的应用前景。     

参量过程中的带间脉冲流

用数值方法在非线性周期介质中研究参量和频过程.频率处于周期介质布拉格频率附近的入射信号光,将不会像在线性周期介质中那样被完全反射.当信号光和抽运光强度相近时,它们与和频光通过非线性相互作用下,将会形成周期性脉冲流,共振地以高透射率穿过非线性周期介质.在一定条件下,系统会丧失这种周期性而走向混沌. 关键词：     

含时电离对飞秒脉冲激光在强双光子吸收介质中传播特性和光限幅行为的影响

以具有强双光子吸收特性的4,4′-二甲氨基二苯乙烯分子体系为研究对象,通过采用时域有限差分法和预估矫正法数值求解Maxwell-Bloch方程,模拟了飞秒脉冲在该分子介质中的传播过程,研究了含时电离对双光子吸收过程和光限幅行为的影响.研究结果表明,光电离使介质与光场的非线性相互作用减弱,同时自发辐射降低, 随着入射电场的增强,光电离对主脉冲演化有明显的影响.光电离使介质的光限幅失效行为减弱.随着光电离截面增加,光限幅的动力学窗口变宽,表明了光电离有利于增强介质的光限幅效应.在不同的传播距离处,脉冲传播呈现 关键词： 含时电离 双光子吸收 光限幅效应 超短脉冲激光     

基于单晶体的可调谐参量超荧光的产生

研究了一种基于单晶体的可调谐超荧光产生机理，在一个偏硼酸钡(BBO)晶体中实现了飞秒脉冲倍频过程和光参量产生过程.实验中采用kHz高功率钛宝石激光系统输出的飞秒脉冲光倍频后的蓝光作为抽运光，获得了可调谐范围为480—530 nm参量超荧光光谱输出.理论上分析了这种超荧光产生机理，并利用放大传递函数模拟出参量超荧光环的产生过程.结果表明，在一个BBO晶体中，当抽运光源输出光入射晶体角度同时满足倍频相位匹配角和非共线光参量产生相位匹配角时可产生参量超荧光环，通过微调相位匹配角可控制参量超荧光光谱调谐输出.该理论和实验研究为控制参量超荧光和量子纠缠态的产生提供了理论依据，对于量子成像和量子通讯等领域的发展具有重要意义.     

连续变量1.34 μm量子纠缠态光场的实验制备

设计研制了连续单频671 nm/1342 nm双波长激光器,并通过模式清洁器降低了激光器额外噪声.利用该低噪声连续单频激光器抽运由Ⅱ类准相位匹配晶体构成的双共振非简并光学参量放大器,实验制备出纠缠度达3 dB的光通信波段1.34μm连续变量量子纠缠态光场.该波段量子纠缠态光场在光纤中传输损耗低且相散效应小,与现有的光纤通信系统相兼容,可用于实现基于光纤的实用化连续变量量子通信.     

泵浦光强度对纠缠光子品质的影响

纠缠源亮度和品质直接决定其作为量子信息处理资源的应用价值,研究参量转换过程中纠缠对的产生效率和品质随泵浦激光强度的变化关系对制备高品质纠缠源具有基础意义．利用参量下转换、极化后选择和符合计数技术,制备了Einstein-Podolsky-Rosen (EPR)偏振纠缠态．研究了泵浦激光强度对纠缠光子产生效率、对比度和保真度的影响．结果表明,随泵浦激光强度增大,纠缠对产生效率保持不变,也即纠缠源亮度随激光强度增大而线性增大;纠缠光子的对比度、保真度随激光功率增大而下降．     

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。     

Beam divergence effects on high power optical parametric oscillation

The beam divergence effects of the input pump laser on a high power nanosecond optical parametric oscillator （OPO） have been numerically simulated. The OPO conversion efficiency is affected due to the angular deviation of real laser beams from ideal phase matching conditions. Our theoretical model is based on the decomposition of the Gaussian beam and assumes each component has a single deviation angle and thus a particular wave vector mismatch. We take into account the variable intensity profile in the spatial and temporal domains of the Gaussian beam, the pump depletion effects for large-signal processes as well as the oscillatory effects of the three waves. Two nonlinear crystals β-BaB2O4 （BBO） and LiB305 （LBO） have been investigated in detail. The results indicate that the degree of beam divergence strongly influences the maximum pump intensity, optimum crystal length and OPO conversion efficiency. The impact of beam divergence is much more severe in the case of critical phase-matching for BBO than in the case of non-critical phase-matching for LBO. The results provide a way to choose the optimum parameters for a high power ns OPO such as the nonlinear material, the crystal length and the pump intensity, etc. Good agreement is obtained with our experimental results.     

远红外固体激光器研究进展

8～12μm波段是大气的一个窗口,被定义为长波红外波段。该波段激光对雾、烟尘等具有较强的穿透力,在激光光电对抗、激光遥感、医疗、环境监测及光通讯领域具有重要的应用前景。本文调研了常用的8～12μm非线性频率变换晶体,以及基于非线性频率变换晶体的远红外光参量振荡器的研究进展,对国内外能实现8～12μm波段激光输出的非线性晶体及激光系统进行了系统地归纳和总结,通过分析比较得出在8～12μm波段获得的最大输出能量为毫焦量级,最大功率为瓦量级。国内该技术与国外有着不小的差距,主要受制于高重频、高功率脉冲1～3μm泵浦源技术不成熟及高性能非线性晶体材料研制基础薄弱,我国在长波远红外固体激光器领域研究进展缓慢,因此研制大尺寸、高质量远红外激光晶体及输出波长更长的远红外高功率激光器已经成为激光器未来发展方向之一。     

脉冲光场作用下啁啾双光子量子特性研究

基于量子理论和非线性光学,研究了脉冲光场作用啁啾准相位匹配非线性晶体的第Ⅱ类自发参变下转换过程中,脉冲宽度和啁啾系数对产生的纠缠双光子特性及Hong-Ou-Mandel(HOM)量子干涉结果的影响。结果表明,啁啾系数一定时,随着脉冲宽度的增加,双光子谱的不可区分性降低,HOM量子干涉可见度下降。当脉冲宽度一定时,随着啁啾系数的增加使双光子谱带宽增加,HOM量子干涉陷落变窄,双光子谱的不可区分性增强,从而提高了相干精度和干涉可见度。理论上得到了超宽带的双光子谱和对应超窄的HOM量子干涉图。     

高峰值功率1．57μm脉冲激光器的研究

KTP非线性频率转换技术是实现人眼安全激光的有效方法,为了获得高峰值功率人眼安全激光,设计了一种级联式1．06μm泵浦非临界相位匹配环形腔KTP光参量振荡器一光参量放大器,并对其激光输出进行了测试,结果证明该光参量振荡器输出激光波长1．571μm,激光峰值功率42MW,光光转换效率35％,能量稳定度2．5％。该技术已用于计量检测标准光源,并在远程人眼安全激光测距仪、激光雷达等装备中具有应用前景。     

Interaction of light waves in active nonlinear and periodically poled nonlinear crystals

The results of classical and quantum studies of the laser-radiation self-frequency conversion processes in periodically poled active nonlinear crystals are overviewed. The theoretical and experimental results of studying quasi-phase-matched self-frequency doubling and summation of the laser and pump frequencies in an active nonlinear periodically poled Nd:Mg:LiNbO₃ crystal are presented. The possibility of producing frequency-and polarization-entangled states and the sub-Poisson field statistics through a consecutive nonlinear optical frequency conversion in periodically poled nonlinear crystals is considered.     

Three-colour entanglement generated by an injection-seeded nondegenerate optical parametric oscillator

Three-colour continuous-variable (CV) entanglement can be directly generated by an injection-seeded nondegenerate optical parametric oscillator (INOPO). The quantum correlations among the pump, signal, and idler beams are calculated and discussed by applying sufficient inseparability criteria for CV entanglement. The results clearly show that strong three-colour CV entanglement can be produced by operating the pump above the oscillation threshold. The INOPO is easier to realize experimentally and more steady in comparison to that without an injected signal since the injected signal can increase the nonlinear conversion efficiency and the stability, as well as allow a large degree of tunability. This scheme can be very useful for the applications in quantum communication and computation networks.