光学超晶格中级联参量过程制备纠缠光子对

探索制备纠缠光子对的新途径是量子光学领域的一个研究热点.从理论上证明在准周期极化 的光学超晶格晶体中的级联参量过程能够产生纠缠光子对.分别利用脉冲和连续的532nm抽运 光在一块准周期极化的 LiTaO3晶体中同时实现非简并参量下转换（产生信号光与闲置光 ）与和频（闲置光与抽运光和频生成和频光）的级联参量过程，获得630nm的信号光与460nm 的和频光.指出信号光与和频光之间存在纠缠关联性质.该方案的优点是可产生短波长的纠缠 光子对. 关键词： 准相位匹配 级联参量过程 光量子纠缠态     

周期极化铌酸锂中通信波段纠缠双光子的波长管理方法

理论研究了周期极化铌酸锂晶体中通过自发参量下转换产生的纠缠双光子的波长管理方法.简并自发参量下转换产生的单色偏振纠缠双光子的波长,可以通过调整晶体的极化周期或工作温度自由地调节,特别是在加工好的晶体中极化周期是确定的,因而调整晶体的工作温度更加便捷.对于双色偏振纠缠双光子来说,不需改变入射的泵浦光以及晶体的极化结构,仅通过调节晶体的工作温度就可以实现o光光子和e光光子波长的严格交换.     

宽波段连续调谐全固态CW PPMgLN光学参量振荡器

利用半导体激光泵浦输出1064 nm波长的全固态连续Nd:YVO4激光器作为泵浦源,采用周期调谐和温度调谐组合调谐技术,对基于掺氧化镁周期性极化铌酸锂晶体（MgO:LiNbO3, PPMgLN）准相位匹配（QPM）的全固态连续波（CW）光学参量振荡器（OPO）宽波段无分立连续调谐输出特性进行研究。实验采用连续工作模式和外腔结构,基于多周期PPMgLN晶体的30.2,30.4和30.6 m周期,在改变晶体的极化周期的基础上,同时在30～100 ℃范围内调节晶体工作温度。实验结果表明:CW PPMgLN OPO的泵浦阈值仅为0.22 W;不同极化周期需要的温度调谐范围不同;信号光在1 559.8～1 597.2 nm近红外波段和闲频光在3 187.3~3 347.3 nm中红外波段连续调谐输出。实现了外腔式全固态CW OPO在信号光和闲频光波段的无分立连续调谐输出。     

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.     

低阈值温度调谐PPMgLN红外光参量振荡

研究了温度调谐下周期极化镁掺杂铌酸锂晶体的红外光参量振荡特性。采用外电场短脉冲极化技术,在大小为7.0mm×50.0mm×1.0mm的Z切高镁掺杂(摩尔分数0.05)铌酸锂上制备出了准相位匹配光学微结构器件,极化周期为30.0μm。以输出波长为1064nm的声光调QNd:YAG固体激光器作为基频泵浦光开展了光参量振荡研究。实验表明:泵浦该PPMgLN晶体,实现了室温下低阈值红外光参量振荡产生,阈值功率仅为45mW(重复频率1kHz)。在泵浦输入功率为225mW时,有36mW信号光输出,转换效率达到16.0%,通过调谐晶体温度(20~180℃),获得了调谐范围为1503~1550nm波段的OPO信号光,实现了低阈值可调谐红外光的稳定输出。     

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.     

理论构造周期极化KTiOPO_4晶体制备852和1550nm双色纠缠光

利用KTiOPO4(KTP)材料非线性系数d33对应的二阶非线性0-类准相位匹配,理论上设计构造了一种周期极化KTiOPO4晶体(PPKTP),当晶体温度为20℃时,晶体准相位匹配格子的周期为10.70μm。波长为550nm的激光泵浦由该晶体组成的光学参量振荡器能产生含852nm信号光和1550nm的闲置光的双色纠缠,其中信号光对应Cs原子吸收线,闲置光1550nm对应光纤通讯波长。该纠缠光对量子信息网络和原子信息存储有非常重要的意义。     

基于复合腔的波长可调谐连续橙红色激光器

设计并研制了一种基于复合腔结构的波长可调谐、瓦级连续输出的橙红色激光器.该激光器是由半导体激光侧泵Nd∶GdVO_4晶体产生p-偏振1 062.9nm基频光的谐振腔和使用周期性极化晶体MgO∶PPLN(三个极化周期为29.0μm、29.8μm和30.8μm)的单共振光学参量振荡器组成.在两个谐振腔的重叠区域,利用Ⅱ类临界相位匹配KTP晶体对s-偏振信号光与p-偏振1 062.9nm基频光进行腔内和频.通过对MgO∶PPLN晶体进行三个不同极化周期的调谐和30℃~200℃范围内的温度调谐,在三个波段(613.4~619.2nm@29.0μm、620.2~628.9nm@29.8μm和634.4~649.1nm@30.8μm)获得了波长可调谐的橙红色激光连续输出,并在相应波段(3 980.0~3 758.5nm@29.0μm、3 714.2~3 438.3nm@29.8μm和3 278.0~2 940.2nm@30.8μm)获得了波长可调谐的中红外闲频光的连续输出.在30℃最低调谐温度,通过改变晶体的极化周期,在613.4nm、620.2nm和634.4nm处测得最大连续输出功率分别为1.52 W、2.21 W和3.03 W,对应的三束闲频光最大连续输出功率分别为2.36 W@3 980.0nm、3.17 W@3 714.2nm和4.13 W@3 278.0nm.     

准晶非线性光子晶体中二次谐波波长和温度调谐的研究

在八重准周期极化的铌酸锂非线性光子晶体中,通过调节基频光波长实现了多个波长的同时共线准相位匹配倍频,最高转换效率达36%.同时,测量了准晶非线性光子晶体中二次谐波转换效率随晶体温度以及入射波长的变化,结果表明二次谐波在长波处具有更宽的温度以及波长调谐带宽.该项研究对于准周期非线性光子晶体在实际工作中的运用具有重要的指导意义. 关键词： 准周期 非线性光子晶体 温度调谐 波长调谐     

基于准相位匹配产生近中红外波段的特性分析

基于周期极化晶体的Sellmeier方程和准相位匹配理论,对准相位匹配光参变振荡器的调谐特性进行了理论分析.通过数值模拟计算,得到了PPRTA晶体光参变振荡的调谐特性与极化反转光栅周期、晶体温度和抽运光波长等参量的关系曲线.并且与PPKTP晶体和PPLN晶体光参变振荡器的调谐特性进行了比较,研究了三者的不同之处,得出了PPRTA晶体的参量调谐特性优于PPKTP晶体和PPLN晶体的结论,与国外已报道的实验数据相吻合.证实了PPRTA晶体是一种可以产生可调谐近中红外光的理想准相位匹配非线性光学晶体.     

Second order parametric processes in nonlinear silica microspheres

We analyze second order parametric processes in a silica microsphere coated with radially aligned nonlinear optical molecules. In a high-Q nonlinear microsphere, we discover that it is possible to achieve ultralow threshold parametric oscillation that obeys the rule of angular momentum conservation. Based on symmetry considerations, one can also implement parametric processes that naturally generate quantum entangled photon pairs. Practical issues regarding implementation of the nonlinear microsphere are also discussed.     

高阶群速度色散引起的高斯超短脉冲宽度的展宽和形变

基于动量守恒和光参变过程中的三波耦合波方程,和负单轴非线性光学晶体CsLiB6O10的色散方程,研究了在光参变效应中超短激光脉冲由于群速度色散引起的展宽和形变。数值模拟显示,在超短脉冲波形为双曲正割形和无啁啾调制时,高阶群速度色散引起的超短脉冲为50fs时,晶体长度为10mm,紫外光213nm作为基波入射时的脉冲展宽是波长为532nm绿光在同等条件下的1.6倍。脉冲展宽程度与入射波长和晶体长度有关,波长越短和晶体长度越长则脉冲展宽和波形变化越严重,高阶色散引起的超短高斯脉冲展宽,将破坏其波形对称性并引起旁瓣现象。     

Theory for quantum state of photon pairs generated from spontaneous parametric down-conversion nonlinear process

A theory is presented for the quantum state of photon pairs generated from spontaneous parametric down-conversion nonlinear process. In this theory, the influence of the final sizes of nonlinear optical crystals on optical eigenmodes is explicitly taken into consideration. It was found that these photon pairs are not in entangled quantum states. Polarization correlations between the signal beam and the idler beam are explained. It is also shown that the two photons generated from SPDC are not spatially separated, therefore the polarization correlation between the signal and idler beams is not an evidence for quantum non-locality. The text was submitted by the authors in English.     

Generation of arbitrary frequency-entangled states of two-photon light

We consider a new method for the generation of polarization-frequency entangled states of photon pairs. We use a frequency-nondegenerate regime of spontaneous parametric down conversion where the photon pairs (biphotons) are produced with identical polarizations, propagate mostly in the same direction, but differ in frequency. Entanglement is achieved by a coherent superposition of pairs emitted from two nonlinear crystals, with the polarization of the biphotons from the first crystal being changed by a transformer placed between the two crystals. We show that this scheme allows the degree of entanglement to be controlled by the choice of biphoton frequencies.     

Polarization-mixing optical parametric oscillator

We report the experimental realization of a new type of optical parametric oscillator in which oscillation is achieved by polarization rotation in a linear retarder, followed by nonlinear polarization mixing. The mixing is performed by a type II degenerate parametric downconversion in a periodically poled KTP crystal pumped by a 1064 nm pulsed Nd:YAG pump. A single, linearly polarized beam, precisely at the degenerate wavelength is generated. The output spectrum has a narrow linewidth (below the instrumentation bandwidth of 1 nm) and is highly stable with respect to variations in the crystal temperature.     

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.     

双泵浦光子晶体光纤参量放大研究

利用光子晶体光纤在不同零色散波长附近具有不同色散的特性，研究了在零色散波长为780 nm和1550 nm附近的双泵浦光子晶体光纤参量放大过程.在780 nm附近，讨论了零色散波长变化对双泵浦光子晶体光纤参量放大的影响.数值模拟结果表明:当零色散波长发生微小的变化时，信号增益谱带宽会发生很大的变化.当两泵浦光之间的波长差值减小时，零色散波长的变化对参量放大的影响在很大程度上可以得到抑制，但是增益带宽会有一定的减小.依据这一原理，在1550 nm附近设计光子晶体光纤中的色散平坦光纤参量放大，在5 m长的光子晶体光纤中，当峰值功率为10 W时，得到了增益为65 dB，带宽达到420 nm且极为平坦的增益谱.     

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。     

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.