计数率和分辨时间对光场统计性质测量的影响——基于单光子探测器测量的实验分析

对光子统计性质的测量是获得量子态光场非经典特性的重要手段。目前，效率很高的“数字化”单光子计数模块（Single-Photon-Counting Module，简称SPCM，包括信号提取和电子放大部分）已经被广泛应用。本文利用工作在盖革模式下的单光子探测器，分别采用单个探测器直接对光子计数的方法，以及由两个探测器组成的传统HBT方案，对相干光场及热光场的统计性质进行了测量和分析。通过改变计数率，调整分辨时间等，系统地研究了光场二阶相干度受实验条件的影响。结果表明，采取不同的方法对光场统计性质的测量时，不同的计数率和时间分辨率对测量结果都会构成影响。实验表明，在综合考虑系统中的各种因素对测量影响的情况下，通过选择合适的测试条件（单探测器直接测量，计数率为109kc／s，分辨时间范围为28ns-212ns；双探测器测量，计数率为50kc／s，分辨时间为32ns），采用两种方法，均能够揭示相干光场和热光场不同的光子统计性质。     

光场高阶光子关联的分析与测量

利用双Hanbury Brown-Twiss探测系统理论分析并在实验上精确测量了不同光场的高阶光子关联g(n)(n 2).探测系统通过四个单光子计数模块,探测分析光子时间关联的联合分布概率.在理论上,考虑实际探测系统背景噪声和系统效率的影响,分析研究了热态、相干态、压缩真空态和Fock态的三阶及四阶光子关联的结果,及其随光场入射光强、压缩参数及光子数的变化.并在实验中研究了探测系统分辨时间和计数率对相干态和热态的三阶及四阶光子关联的影响.在分辨时间为210 ns,计数率为80 kc/s时,准确测量得到在零延迟处热态的三阶及四阶光子关联,相对理论值的统计偏差分别为0.3%和0.8%.此外还测量得到了不同延迟时间下热态的高阶光子关联的结果.实验表明综合对各种影响因素的分析可精确测量光场的高阶光子关联,该方法在量子关联成像及光场特性分析中有着重要的应用.     

基于增强型CCD光场高阶相干度的测量

光场的高阶关联特性是揭示光的统计行为的重要特征。采用传统的HBT(Hanbury-Brown and Twiss)实验模型测量多光子高阶关联时,会受到单光子探测器和分束器数量的限制,测量起来比较复杂。提出了一种利用增强型电荷耦合器件(ICCD)快速测量光场高阶关联的方法。通过改变曝光时间和光照强度(计数率)对赝热光场和相干光场的高阶相干度进行测量和分析。结果表明:在适当的条件下,可以确定光场的高阶相干度。当曝光时间为600 ns、计数率为5.12×10~8 s~(-1)时,实测赝热光场的2阶和3阶相干度分别为g~((2))_T(0)=1.79±0.20,g~((3))_T(0)=4.94±0.59。对多达4阶的光场相干度进行了测量,该结果能在理论上得到较好的解释。该实验方法有望应用于某些光源的高阶相干性测量和研究方面,对揭示光场的高阶关联行为具有一定意义。     

混沌光场光子统计分布及二阶相干度的分析与测量

利用通信波段双通道单光子探测器,采用Hanbury Brown-Twiss关联测量方案,理论分析并实验测量了光反馈半导体激光器产生的混沌光场的光子统计分布及不同混沌状态光场的二阶相干度.通过对混沌光场二阶相干度g~((2))(τ)的理论分析,得出随着延迟时间和相干时间的变化,其与相干光、热光及单光子态的二阶相干度可明显区分并呈现出不同分布.同时实验上产生了频谱宽度6.7 GHz的混沌光场,测量了不同光子数分布的结果,并用高斯随机分布、泊松分布、玻色-爱因斯坦分布对光子数分布进行理论拟合,发现随着入射平均光子数的增加,光子数分布从玻色-爱因斯坦分布过渡到泊松分布,但整个过程都与高斯随机分布符合较好,且光场的二阶相干度g~((2))(0)由2降至1.通过改变偏置电流(I=1.0Ith-2.0Ith)和反馈强度(0—10%),实验上研究了混沌光场由低频起伏到相干塌陷的过程中不同状态宏观动力学特性与二阶相干度的对应关系.结果表明:混沌光场在此过程中始终呈现出明显的聚束效应,并在频谱宽度最大时达到最强;同时给出了光子计数测量中聚束效应减弱的物理原因.实验表明该系统及方法能很好地揭示不同状态混沌光场的光子统计特性.     

Kerr介质中耦合双原子与双模压缩真空场相互作用系统的光子统计性质

研究了存在Kerr介质时，双模压缩真空场与耦合二能级原子相互作用系统中光子的统计性质，讨论了Kerr介质与光场的耦合强度、光场的初始压缩因子和原子的初态对光子统计性质的影响.数值计算结果表明，光子周期性地交替呈现聚束和反聚束效应，光场两模之间总是呈现正相关，并且这种相关为非经典相关；Kerr介质的影响使光场的二阶相干度演化曲线呈现周期性的崩塌-回复现象，随着Kerr效应的加强，崩塌-回复周期变短，以至消失. 关键词： Kerr介质 耦合双原子 双模压缩真空场 光子统计性质     

非旋波近似下两个二能级原子与单模光场相互作用的非经典性质

利用全量子理论,研究了非旋波近似下两个二能级原子与单模光场相互作用过程中光场所表现出的非经典性质,揭示了虚光子过程对场的平均光子数和二阶相干度的影响,并讨论了光场频率及原子间耦合系数的变化与场的平均光子数和二阶相干度的关系.     

与非等同双原子相互作用下光场的相干性质

研究了具有不同偶极矩的两个原子与双模压缩真空场相互作用系统中光场的相干性质.讨论了两个原子与双模压缩真空场的相对耦合常量(R=g1/g2)和光场的初始压缩因子r对二阶相干度、光场的模间相关性、Cauchy-Schwartz不等式的影响.结果表明,光场的初始压缩因子较小时,光子的聚束效应和反聚束效应交替出现,且光场的模间相关程度较强.光场的初始压缩因子较大时,光子呈现聚束效应,且模间相关程度较弱.双原子的相对耦合常量R对二阶相干度、光场的模间相关性、Cauchy-Schwartz不等式的时间演化规律有影响,但不能改变光场模间相关的非经典性质.     

利用光子统计概率测量单分子光子源的信号背景比

理论上研究了基于Hanbury Brown Twiss 探测方式，利用单光子和双光子统计概率P RS(1),PRS(2),直接测量单分子光子源的信号背景比.在研究过程中同时考 虑到单分子布居于暂稳态和探测器量子效率对测量结果的影响.在满足PRS(1)2 PRS(2)-3PRS(2)的条件时，研究给出了一种有效测量信号背景比的方 法SBR=P2RS(1)/2PRS(2).另外，分析讨论了Mandel参数Q 与信号背景比之间的关系. 关键词： 单分子光子源 信号背景比 光子统计 暂稳态 Mandel参数     

Kerr介质中与V型三能级原子依赖强度耦合系统光场的二阶相干性质

利用全量子理论,研究了存在Kerr介质时,单模光场与V型三能级原子依赖强度耦合系统的非共振相互作用系统中光场的二阶相干性质.讨论了Kerr介质与光场耦合常数、初始光场的平均光子数和失谐量对光场的二阶相干度的影响.     

增加光子纠缠相干态的统计性质

引入了增加光子纠缠相干态.研究了在纠缠相干态的某个模上加入光子对光场统计性质的影响.由于两个场模间的纠缠,在a模上加入光子不但可以使a模的平均光子数增加,也可以使b模的平均光子数发生变化(增加或减少).加入光子后,光场的亚泊松分布和压缩特征得到明显增强. 关键词： 纠缠 增加光子态 统计性质     

Experimental Study on Coherence Time of a Light Field with Single Photon Counting

The second-order degree of coherence of pseudo-thermal light and coherence time are experimentally studied via the Hanbruy-Brown-Twiss （HBT） scheme. The system consists of two non-photon-number-resolving single- photon-counting modules （SPCMs） operating in the Geiger mode. We investigate the coherence time of the incident beam for different spot sizes on a ground glass a~d speeds of a rotating ground glass. The corresponding coherence time can be obtained from Gaussian fitting for the measured second-order degree of coherence. The results show that the coherence time of measured pseudo-thermal light depends on the spot sizes and the rotating speeds of the ground glass. The maximum value of the second-order degree of coherence is reduced as the rotating speed decreases. This result can be well explained by the model of mixed thermal and coherent fields with different ratios.     

非旋波近似下级联型三能级原子与腔场相互作用的量子动力学性质

研究非旋波近似下级联型三能级原子与单模腔场的相互作用.结果表明：非旋波近似下，由于虚光场的影响，辐射场的平均光子数和二阶相干度的演化曲线均出现了“小锯齿状”，表现为系统的量子噪声，随着ω和的增大，量子噪声分别减小和增大；非旋波近似下，系统的反聚束效应较旋波近似的强；研究结果还揭示了平均光子数N(t)和二阶相干度g²(t)与原子-场耦合系数λ的关系. 关键词：     

Coherence of radiation as studied by multiple coincidences of photons and particles

Coincidences of photons and particles are measured by counting the number of events occurring simultaneously in two or more detectors. Coherent and incoherent radiation may have different behavior when the number of coincidence counts is studied with different arrangements of the coincidence detectors: the coincidence rate for the coherent radiation field, such as that obtained from a single-mode laser, is independent on the transverse separation between the detectors as long as the intensity of the radiation stays constant. On the other hand, with incoherent thermal radiation, using suitable monochromatization, the coincidence rate can show a significant bunching effect at detector separations smaller than the transverse coherence length. As a third alternative, photon antibunching may be observed if the radiation field is prepared in a number state, such as that available from resonance fluorescence of atoms, ions or molecules. If the time resolution of the detectors is not sufficient to resolve separate counts, corresponding effects can be observed in experiments, where the analog outputs of the detectors are multiplied to produce an intensity correlation signal. Intensity correlation and coincidence studies of photons and particles are reviewed in this report starting from the early experiments in the 1950’s and including recent work on X-ray coincidences and three-pion correlations. New results are presented for three- and four-photon coincidences at the X-ray wavelengths.     

三能级电磁感应透明中辐射场的量子统计特性

对Λ型三能级原子电磁感应透明（EIT）过程中辐射场的二阶相干度进行了研究。理论分析表明，在电磁感应透明系统中，由于原子的相干效应导致其上能级共振荧光场的二阶相干度将呈现单光子场的量子统计特性。并对其随耦合场强度和探测光失谐的变化进行了详细的分析和讨论，结果发现：在｜Ω｜〉（Γ2＋Γ3）／2情况下．采用较弱的耦合光功率（由托比频率Ω表征）及较大的探测光失谐，在较长时间延迟范围内，二阶相十度保持小于1，更利于实现非经典场的量子统计行为；相反，在｜Ω｜≤（Γ2＋Γ3）／2情况下，探测光的失谐量越小，越利于获得二阶相干度小于1的量子统计光场。南此可见选取合适的参量可优化电磁感应透明过程中单光子场的量子统计特性。     

Enhancement of electron spin coherence by optical preparation of nuclear spins

We study a large ensemble of nuclear spins interacting with a single electron spin in a quantum dot under optical excitation and photon detection. At the two-photon resonance between the two electron-spin states, the detection of light scattering from the intermediate exciton state acts as a weak quantum measurement of the effective magnetic (Overhauser) field due to the nuclear spins. In a coherent population trapping state without light scattering, the nuclear state is projected into an eigenstate of the Overhauser field operator, and electron decoherence due to nuclear spins is suppressed: We show that this limit can be approached by adapting the driving frequencies when a photon is detected. We use a Lindblad equation to describe the driven system under photon emission and detection. Numerically, we find an increase of the electron coherence time from 5 to 500 ns after a preparation time of 10 micros.     

Non-Rayleigh photon statistics of superbunching pseudothermal light

Superbunching pseudothermal light has important applications in studying the second-and higher-order interference of light in quantum optics.Unlike the photon statistics of thermal or pseudothermal light is well understood,the photon statistics of superbunching pseudothermal light has not been studied yet.In this paper,we will employ single-photon detectors to measure the photon statistics of superbunching pseudothermal light and calculate the degree of second-order coherence.It is found that the larger the value of the degree of second-order coherence of superbunching pseudothermal light is,the more the measured photon distribution deviates from the one of thermal or pseudothermal light in the tail part.The results are helpful to understand the physics of two-photon superbunching with classical light.It is suggested that superbunching pseudothermal light can be employed to generate non-Rayleigh temporal speckles.     

与运动二能级原子作用的双模光场的量子特性

用全量子化理论,研究了与运动二能级原子相互作用的双模量子化光场的量子特性,分析了场模结构对平均光子数,单模二阶相干度,两模间的相关性的影响. 研究结果表明,随着场模结构参量的增大,平均光子数回复周期变短,振荡加剧,在崩塌区域内振荡出现分裂, 同时原子运动对光场的二阶相干性有明显的影响.     

第三代同步辐射光源X射线相干性测量研究

随着高性能第三代同步辐射光源的建成开放,基于X射线相干特性的实验方法得到了快速发展和广泛应用.作为一个典型的例子,X射线相位衬度成像已经成为常规的X射线实验方法并向用户开放.相干散射、相干衍射成像、光子关联谱等X射线实验方法正日益受到重视,在高空间分辨、时间分辨等研究领域已显示出其独特的优越性.因此,研究和测量第三代同步辐射的空间相干特性对进一步发展这些新的实验方法具有重要意义.基于Talbot自成像原理成功测量了上海光源X射线成像线站发射的X射线的空间相干长度,并进而测得了相应光源的空间尺度.光子能量为33.2 keV时,测得的X射线光束垂直方向空间相干长度为8.84μm,对应的光源尺寸为23μm,测量结果与理论分析相符.