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     

压缩态光场在双光子吸收介质中的演化

采用生成函数方法,由光场密度算符主方程,求得光场压缩度s,二阶相干度g^(x)和光子统计分布的严格解析表达式,同时讨论它们随标度时间τ的演化。计算表明,在双光子吸收过程中,虽然压缩度s逐渐减弱,但相当长的时间内光场仍呈现压缩特性;该过程有利于呈现和增强光子反聚束效应和光子亚泊松分布特性;光子分布的振荡特征维持较短一段时间后很快消失。 关键词：     

弱抽运下光学参量过程中压缩真空场的光子统计性质

在理论和实验上研究了光学参量振荡中产生的弱压缩真空场的光子统计行为. 弱压缩真空具有强烈的光子聚束效应,这种比热光场更强的聚束效应在量子光学和量子测量中具有重要的应用. 利用远离阈值的光学参量振荡(optical parametric oscillator, OPO )过程,在实验上产生了该弱压缩真空输出,运转波长在铯原子线附近. 通过Hanbury-Brown-Twiss(HBT)测量了OPO输出光场的二阶关联函数,实验结果与理论分析基本一致. 关键词： 压缩真空态 二阶相干度 光学参量振荡     

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%.     

Kerr介质中纠缠原子与非简并双光子相互作用的动力学

考虑了在位于充满Kerr介质的腔中,一对纠缠的二能级原子之一与非简并双光子的相互作用,当该原子离开腔被作选测性测量时,分析测量后光场的量子性质,研究结果表明,在纠缠度一定时,Kerr效应使光场平均光子数的崩塌回复周期减小,光场的二阶相干度减弱,使Cauchy-Schwartz不等式关联程度减弱.     

超辐射中的亚泊松光子统计

本文利用推广的Jaynes-Cummings模型描述N个二能级原子的超辐射,得到了辐射场的二阶关联函数的一般表达式。并进而用于缓变耦合情况,着重研究了共振情况下由超泊松光场演化成亚泊松光场的初始条件。作为例子,讨论了推广相干态及压缩相干态的演化条件。最后提出了利用相干态光场观察亚泊松光子统计的实验建议。     

单光子探测器量子效率的绝对自身标定方法

提出一种单光子探测器量子效率的绝对自身标定方案，利用光参量下转换过程中产生的光子对在时间上的相关性，先将参量光束分为两路，然后引入相对延时，使同时产生的孪生光子先后进入单光子探测器，然后将探测器之后的电路分为三路，其中一路直接进入计数器得到探测器所探测到的光子的总计数率，另两路用电路方法引入和光路相当的相对延时，经符合电路后进入计数器，得到前后到达探测器的光子对之间的符合计数率.这样，从符合计数率与总光子计数率之比即可在不需要任何其他探测器或者参照标准的情况下获得探测器的量子效率.文中给出两种方案，分别适     

克尔介质中纠缠光与三能级原子作用的光子统计

采用求解薛定谔方程和数值计算方法,研究了克尔介质中双模纠缠相干光场与三能级原子相互作用系统的光子统计性质,分析了双模纠缠相干光场的纠缠程度、克尔介质与光场的耦合强度、双模光的平均光子数和原子基态概率幅对光子统计性质的影响。结果表明：双模纠缠相干光场的纠缠程度对光子统计性质没有明显的影响;克尔效应增强使光子统计性质的时闻演化曲线的振荡频率变大、振荡幅度变小;当保持场模1的平均光子数不变而场模2的平均光子数变小时,光子统计性质的时间演化曲线的振荡幅度变大。     

不同光场二阶相干度的实验研究

基于Hanbury Brown-Twiss(HBT)实验,我们借助于两个单光子计数模块,一个50/50分束器和一个快速计数卡(FastCom-P7888)研究了不同光场的二阶相干度。我们首先制备了脉冲相干光,连续相干光以及单原子发出的单光子源,并测量这几种不同光场的二阶相干度g(2)(τ)。我们通过测量俘获在磁光阱(MOT)和远失谐偶极阱(FORT)中的单原子在近共振连续激光激发下所辐射的荧光的二阶相干度,分别得到了g(2)(τ=0)=0.08和g(2)(τ=0)=0.09,借助于实验中产生的脉冲光与单原子,接下来我们将进行触发式单光子源的实验研究。     

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.     

双模纠缠相干光场与V型三能级原子相互作用系统的光子统计性质

本文采用求解Schrodinger方程和数值计算方法,研究了双模纠缠相干光场与三能级原子相互作用系统的光子统计性质,结果表明:此性质与双模纠缠相干光场的纠缠程度、失谐量、双模光的平均光子数和原子的初态相关联.