1064 nm高功率明亮压缩态光场制备实验中绿光诱导红外吸收效应

通过实验和理论研究连续变量高功率明亮压缩态光场制备实验中高功率种子光注入光学参量放大器引起的绿光诱导红外吸收效应。首先,通过优化实验系统工作参数,提升反馈控制回路的锁定稳定性,当种子光功率为500 mW、泵浦光功率为145 mW时,在分析频率为3 MHz处,获得光功率为200μW、压缩度为(-10.7±0.2) dB的明亮压缩态光场。然后,根据实验数据,定量分析高功率明亮压缩态光场与压缩真空态光场产生过程中周期极化磷酸氧钛钾晶体的吸收损耗,发现高功率明亮压缩态光场实验系统的总光学损耗为(9±0.05)%,其中由周期极化磷酸氧钛钾晶体吸收导致的内腔损耗为(5.8±0.05)%,占总光学损耗的(64.4±0.05)%。该条件下周期极化磷酸氧钛钾晶体对高功率明亮压缩态光场的吸收系数为(6.0±0.05)×10^-2 cm^-1。当泵浦光单独注入光学参量放大器时,周期极化磷酸氧钛钾晶体对压缩真空态光场的吸收系数约为2.1×10^-4 cm^-1。由此可知,当高功率种子光注入光学参量放大器时,绿光诱导红外吸收效应使周...     

利用PPKTP晶体半整块光学参量放大器产生1.5μm光通信波段明亮正交振幅压缩光

利用周期极化磷酸氧钛钾(PPKTP)晶体构成的半整块结构简并光学参量放大器获得了连续变量1.5μm光通信波段的明亮正交振幅压缩态光场。光学参量放大器工作于阈值以下反放大状态,阈值功率为220 mW。当780nm抽运光场功率为110 mW,1.5μm注入信号光场功率为115 mW时,下转换光场输出功率为80μW,实测的连续变量1.5μm明亮正交振幅压缩态光场的压缩度达3.0dB。     

1.5μm光通信波段明亮压缩态光场的产生及其Wigner函数的重构

1.5 μm光通信波段非经典光场在光纤中有着极低的传输损耗, 因而是基于光纤的实用化连续变量量子信息研究的重要资源. 本文利用周期极化磷酸氧钛晶体构成的半整块结构简并光学参量放大器, 实验获得了连续变量1.5 μm光通信波段的明亮压缩态光场. 光学参量放大器的阈值功率为230 mW. 当780 nm抽运光场功率为110 mW, 1.5 μm注入信号光场功率为3 mW时, 连续变量1.5 μm明亮正交位相压缩态光场的压缩度达4.7 dB. 进而利用时域零拍探测系统测量压缩态, 采用量子层析技术重构了该明亮正交位相压缩态光场的Wigner准概率分布函数.     

利用周期性极化KTiOPO4晶体参量缩小过程产生明亮振幅压缩光

利用周期性极化KTiOPO₄晶体构成的连续准相位匹配简并光学参量缩小谐振腔， 获得了注入红外的明亮正交振幅压缩光.参量振荡阈值为35mW.当抽运光功率为20mW时，测得压缩度为223dB，特别是当抽运光功率为8mW时，测得压缩度为217dB. 关键词： 准相位匹配 简并光学参量放大器 明亮振幅压缩光     

明亮压缩态光场的操控及量子层析

连续变量量子态的制备与操控是进行量子通信、量子密钥分发以及量子网络构建的重要基础.本文基于二阶非线性过程,利用周期极化磷酸氧钛钾晶体构成的简并光学参量放大腔,在实验上实现了 1064 nm波段明亮压缩态光场的制备,所制备的明亮压缩态光场在泵浦光功率为310 mW、分析频率为3 MHz处的压缩度为-11.6 dB.当注入50 mW泵浦光时,实现了压缩度为-6 dB,纯度为98.5%的压缩态光场;在此基础上,利用光电调制器进行明亮压缩态光场的线性光学操控,并基于平衡零拍探测系统的直流信号准确判断压缩态光场时域信号对应的相位,之后结合极大似然估计算法实现压缩态的量子层析,得到量子态的密度矩阵及相空间的Wigner函数,从而获得量子态的光子数分布等全部信息.     

利用周期性极化KTiOPO4晶体参量缩小过程产生明亮振幅压缩光

利用周期性极化KTiOPO4晶体构成的连续准相位匹配简并光学参量缩小谐振腔,获得了注入红外的明亮正交振幅压缩光.参量振荡阈值为35 mW.当抽运光功率为20mW时,测得压缩度为2.23dB,特别是当抽运光功率为8mW时,测得压缩度为2.17dB.     

光通信波段低频压缩态光场的实验制备

本文利用周期极化磷酸氧钛钾晶体构成的半整块结构简并光学参量振荡器实验制备了连续变量光通信波段低频压缩态光场。光学参量振荡器的阈值功率为210 mW。当775nm抽运光场功率为130 mW时,在分析频段50kHz~900kHz范围内获得真空压缩态光场。在200kHz分析频率处,压缩态光场的最大压缩度达5.0dB;在最低分析频率50kHz处,压缩态光场的压缩度为2.0dB。该低频压缩态光场可为基于光纤的量子精密测量提供量子光源。     

利用楔角KTP晶体实现低阈值非简并光学参量放大器的运转

非简并光学参量放大器产生的纠缠态光场是连续变量量子信息科学研究的重要资源。随着量子网络及量子计算的发展,需要更多组份纠缠态光场来完成对更复杂的量子信息的研究。一般的多组份纠缠态光场是将多个压缩态光场或者Einstein-Podolsky-Rosen(EPR)纠缠态光场通过不同的分束器阵列耦合而成,需要同时制备多个经典相干的EPR纠缠态光场。采用带楔角的非线性晶体,使非简并光学参量放大器的振荡阈值从原来的250mW降低至45mW,当注入腔内抽运光功率为23mW时,依然可以得到正交振幅及相位分量关联噪声分别低于量子噪声极限5.5dB的EPR纠缠态光场。在此基础上,可以使用一台激光器同时抽运多个非简并光学参量放大器来获得所希望的多组份纠缠态光场。     

Quantum State Transfer via Adiabatic Passage

我们采用周期极化KTP晶体为非线性介质，通过光学参量振荡器运转于阈值以下的简并参量振荡过程，产生了单模正交压缩真空态光场，在泵浦功率为123mW，Local光功率为842uW，晶体温度为32．1摄氏度时我们使用平衡零拍探测法测得输出场噪声功率低于散粒噪声基准3．41dB。     

基于级联光参量放大器的碱金属原子跃迁线波段压缩光源分析

碱金属原子跃迁线波段压缩态光场是量子信息以及精密测量领域的重要量子资源.碱金属原子跃迁线波长短(760—860 nm),受限于非线性晶体的灰迹效应,光参量放大器制备的此波段压缩态光场的压缩度有限,目前典型值约3—5 dB.本文在光参量放大器的理论模型基础上,结合原子跃迁线波段压缩态光场实验制备面临的问题,研究光参量放大器输出光场量子噪声随其物理参数的变化规律,获得最优的物理参数.构建了级联光参量放大器的理论模型,以此为基础分别在分析频率2 MHz和100 kHz,研究了级联环路光学损耗以及相位噪声对级联系统输出量子噪声特性的影响.研究发现,对于兆赫兹波段的压缩,在低的光路损耗以及位相噪声前提下,级联2—3个光参量放大器可实现压缩的显著提升;对于低频段压缩,级联系统对压缩的增强较小.在目前的实验参数条件下,进一步探究了级联系统输出压缩态光场的量子极限以及频谱特性.本研究可为原子跃迁线波段压缩态光场压缩度的提升提供参考和指导.     

PPKTP晶体参量缩小过程产生振幅压缩光

我们用准相位匹配PPKTP (periodically poled KTiOPO4)晶体，通过光学参量振荡阈值以下的简并双共振参量缩小过程--注入基频光共振，泵浦光双次穿过晶体，在12mW泵浦功率和6mW的1064nm注入信号光功率时，在1.5MHz频率处，得到了70μW、2dB的连续明亮正交振幅压缩光。这一装置的优点是易于将腔锁定在注入光的频率上，进而有利于非线性过程的长期稳定运转，同时输出场的平均值不为零--明亮压缩光，有利于压缩光的实际应用。和传统双折射相位匹配晶体的同样实验装置相比较，我们的特点是很低的泵浦功率(约低一个数量级)，因此，有利于该实验装置的实用化。此外，由于在我们实验中输出耦合镜的透射率仅2%，所以我们可以通过增大透射率，进而提高压缩度，以达到实际应用的要求。同时，据我们所知，我们的压缩度是目前用准相位匹配晶体产生连续压缩光的报道中压缩度最高的。     

由NOPA产生高质量明亮压缩光及明亮EPR光束

通过非简并光学参量放大器获得了明亮双模正交压缩光及明亮EPR光束.实验测得明亮耦合模的正交振幅压缩为57±02dB;信号模与闲置模的正交振幅和(正交位相差)的起伏低于散粒噪声极限54±02dB(54±02dB),EPR关联的乘积为0332±0003. 关键词： 明亮双模正交压缩光 明亮EPR光束 非简并光学参量放大器     

对应于铯原子D_1线正交压缩真空态光场的制备

对应于碱金属原子吸收线的非经典光是量子信息网络中重要光源之一,近年来受到人们的广泛关注。而对应于铯原子D_1线的非经典光场由于其独特的波长在固态量子信息网络中有重要应用前景。采用连续单频钛宝石激光器作为光源,将输出的锁定于铯原子D_1线的894.6nm激光通过外腔倍频产生447.3nm蓝光,再用于抽运由周期极化磷酸氧钛钾(PPKTP)晶体作为非线性介质的连续简并光学参量振荡器,获得铯原子D_1线的单模正交压缩真空光。光学参量振荡器阈值为39mW,在注入抽运光功率为30mW时,利用平衡零拍探测装置测得2.8dB正交压缩度。考虑到探测效率,光学参量振荡器输出光场的实际压缩度为4.4dB。     

四组份不同频率连续变量纠缠态光场的产生

量子纠缠态是开展量子信息工作的核心资源。提出在一块光学超晶格中通过有注入信号的非简并光学参量振荡级联一个和频过程,可以产生不同频率的四组份连续变量纠缠态光场的可行实验方案。首先泵浦光和注入信号光通过差频过程产生闲置光。然后泵浦光和闲置光在同一块光学超晶格中通过级联和频过程产生和频光。根据多组份连续变量纠缠的判定方法,从理论上证明泵浦光、信号光、闲置光与和频光场之间的量子纠缠特性。四组份纠缠特性随泵浦功率的增大而减弱,另外选取较大的注入信号功率、级联非线性过程的耦合参数和泵浦光衰减常数可以得到较好的四组份纠缠光场。该实验方案只用到一块光学超晶格就可以产生四色连续变量纠缠态光场,实验装置简单。     

音频段1.34μm压缩态光场的实验制备

音频段压缩态光场是进行连续变量量子精密测量重要的量子资源.本文利用自制的低噪声连续单频671 nm/1.34μm双波长激光器作为抽运源,抽运基于周期极化磷酸氧钛钾晶体的简并光学参量振荡器,进行了光通信波段1.34μm连续变量音频段真空压缩态光场的实验制备.当简并光学参量振荡器运转于阈值以下参量反放大状态时,抽运光场功率为95 mW,本地振荡光功率为60μW时,在分析频率8—100 k Hz范围内研制出1.34μm真空压缩态光场.在分析频率36 k Hz处,压缩态光场的最大压缩度达5.0 d B;在音频频率8k Hz处,压缩态光场的压缩度达3.0 d B.音频段1.34μm压缩态光场可用于实现基于光纤的量子精密测量.     

利用外腔谐振倍频产生780nm原子吸收线明亮振幅压缩光

采用连续单频1.56μm激光光源作为泵浦光,通过周期极化铌酸锂晶体外腔倍频过程实验制备出位于原子吸收波线的780nm明亮振幅压缩态光场。在利用2个模清洁器过滤基频光的强度噪声、使之在分析频率4MHz处达到散粒噪声的基础上,利用谐振倍频获得输出功率为10mW、转换效率达40%的倍频光,实测的780nm明亮振幅压缩光的压缩度为0.6dB。     

基于低频压缩光的声频信号测量

低频信号测量在引力波探测、生物成像及磁场测量等方面具有重要的应用价值.本文利用非简并光学参量放大器获得了低频压缩态光场,在频率19 kHz处直接测到的压缩度为(7.1±0.1)dB;将产生的正交位相压缩态光场注入到马赫-曾德尔干涉仪中,实现了超越散粒噪声极限(3.0±0.4)dB的声频相位信号的测量.本实验的开展为低频压缩光的产生及基于低频压缩光的声频信号测量提供了一定技术支撑,并且此技术有望扩展到磁场、空间小位移等其他物理量的量子精密测量方案中.     

实验制备纯的双模压缩态

从一个压缩真空态中减去一个光子是制备光学薛定谔猫态的一种有效方法。研究表明,通过这种方法制备的薛定谔猫态的保真度依赖于压缩态光场的纯度。利用一个抽运光部分共振的非简并光学参量放大器实验制备了纯度为0.993的双模压缩态。由于热效应的存在,非简并光学参量放大器在较宽的抽运功率范围内能够获得纯度较高的双模压缩态。     

基于MOPA结构的1120nm掺Yb光纤放大器

基于主振荡功率放大器,采用1120nm光纤激光器作为种子激光,将其注入20m大模场面积单模双包层掺Yb光纤放大器,并用976nm半导体激光器泵浦实现了1 120nm信号光输出.实验中将注入种子激光功率预设为10mW,当半导体激光器泵浦功率增大至1.5 W时,放大器系统开始输出1 120nm信号光.当泵浦功率低于3.4W时,信号光功率随泵浦功率缓慢增长,系统斜率效率较低;而当泵浦功率高于3.4W时,信号光功率随泵浦功率线性增长,斜率效率明显增大,达到48.5%.限于最大注入泵浦功率为6.8W,放大器输出最高1 120nm信号光功率为1.97W,总的光-光转化效率为29%.输出信号光中心波长为1 120.89nm,线宽为0.02nm,极好地保持了种子激光的特性.结合实验情况,利用双包层光纤放大器的稳态理论模型,采用有限差分方法模拟了放大器输出信号光功率随泵浦光功率的变化曲线,结果显示理论模拟所得变化趋势与实验结果吻合良好,系统将在泵浦功率达到200W左右时达到饱和状态,说明目前光纤放大器系统具有很大的功率提升空间.     

压缩真空态光场在光纤中传输特性的研究

本文利用简并光学参量振荡器实验制备了光通信波段1.5μm压缩真空态光场,压缩度为(5.03±0.13) d B。将已制备的1.5μm压缩真空态光场和同频率本地振荡光采用偏振复用的方式耦合注入单模光纤中进行传输,在理论和实验上研究了压缩真空态光场在光纤信道传输过程中经典和量子特性的演化,并讨论了本地振荡光在光纤信道中引起的声导波布里渊散射对传输过程的压缩真空态光场影响。实验测量了1.5μm压缩真空态光场在单模光纤中传输距离为8 km时,压缩度为0.14 dB,压缩特性仍得到保持。该研究为实现基于光纤的城域量子信息网络等奠定基础。