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。     

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.     

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。     

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。     

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.     

虚光场对克尔介质中受激原子统计性质的影响

研究了类克尔介质中虚光场效应对受激三能级了的光子统计演化性质的影响。结果表明：虚光场效应导致了受激辐射场的光子统计演化中出现的量子噪声,量子噪声随光场频率的增大而减小,当增大到一定值时,量子噪声几乎消失,原子－场耦合系数的增加使光子统计演化的拉比振荡的振幅加大、频率变快;而介质－场耦合系数的增加使光子统计演化拉比振荡的振幅变小、频率变慢。     

增加光子对和减少光子对相干态的统计性质

引入增加光子对相干态|ζ,q;m >_a=a^+m|ζ,q >和减少光子对相干态|ζ,q;-m >_b=b^m|ζ,q >,研究了这些态所描写的光场的统计性质。结果显示当在对相干态的a模增加光子时,两模的平均光子数均增加,亚泊松分布性质增强;当在对相干态的b模取走光子时,b模的平均光子数减少,而a模的平均光子数却增加;b模的亚泊松分布性质减弱,而a模的亚泊松分布性质却增强。我们还计算了场模间的相关度和场模的压缩。     

Ⅴ型三能级原子与双模奇偶纠缠相干光场相互作用系统的光子统计性质

本文采用求解Schroedinger方程和数值计算方法，研究了Ⅴ-型三能级原子与双模奇偶纠缠相干光场相互作用系统的光子统计性质，结果表明：此性质与双模奇偶纠缠相干光场的纠缠程度、失谐量、原子的初态以及双模光的平均光子数相关联．     

门控下InGaAs/InP单光子探测器用于符合测量的时域滤波特性研究

基于砷化镓/磷化铟雪崩光电二极管(InGaAs/InP APD)的半导体单光子探测器因工作在通信波段,且具有体积小、成本低、操作方便等优势,在实用化量子通信技术中发挥了重要作用.为尽可能避免暗计数和后脉冲对单光子探测的影响,InGaAs/InP单光子探测器广泛采用门控技术来快速触发和淬灭雪崩效应,有效门宽通常在纳秒量级.本文研究揭示了门控下单光子探测器可测量的最大符合时间宽度受限于门控脉冲的宽度,理论分析与实验结果良好拟合.该研究表明,门控下InGaAs/InP单光子探测器用于双光子符合测量具有显著的时域滤波特性,限制了其在基于双光子时间关联测量的量子信息技术中的应用.     

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.     

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     

基于Nb/Al材料结构的超导纳米线单光子探测器的光学表征（英文）

本文主要研究了作为可见光和近红外光波段Nb基单光子探测器.在本文中概述了Nb+Al结构的超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的制备,并对制备出的SNSPD器件进行了直流表征,测试了其超导转变温度,并从中选取了直流特性良好的样品进行了光学表征.当单光子探测器被一个直流偏置在其临界电流以下并接近临界电流值时,激光器发出的1550nm波段的光子脉冲到达单光子探测器,使其产生电学信号.20nm厚的SNSPD不能对单光子产生反应;5nm厚的SNSPD可以探测单个光子,并且计算了其系统探测效率.     

V型三能级原子与双模奇偶纠缠相干光场相互作用系统的光子统计性质

本文采用求解Schr dinger方程和数值计算方法,研究了V-型三能级原子与双模奇偶纠缠相干光场相互作用系统的光子统计性质,结果表明:此性质与双模奇偶纠缠相干光场的纠缠程度、失谐量、原子的初态以及双模光的平均光子数相关联.     

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.     

中间测量对受驱单量子比特统计复杂度的影响

最近,基于量子信息理论的统计复杂度引起了人们的关注.在噪声环境下,一个受外界驱动的单量子比特系统具有丰富的动力学行为.本文利用Lindblad方程,在Born-Markov近似下,研究N次中间量子测量后,在系统演化的最后时刻τ,末态的统计复杂度C.研究发现:在τ由0变大的过程中,C从0开始,先增大到最大值,然后减小,直到再趋近于0;N较小时,C伴随着明显的不规则振荡现象,振幅随τ逐渐减小;N越大,C随τ的变化趋势越接近无中间测量时的变化趋势.研究结果给量子态的操控提供了一定的理论参考.     

存在固有偶极矩的 型三能级单分子体系发射光子统计性质研究

用最近发展的产生函数（Generating Function）方法,研究了在连续激光场和射频场作用下存在固有偶极矩的 型三能级单分子体系发射光子的统计性质。主要讨论了不同激光场强度和不同射频场,激光场失谐频率对系统平均发射光子数 ,线型 和Mandel 参数的影响,以及射频场对系统发射光子等待时间分布 的影响等。结果表明：外加激光场和射频场对单分子发射光子都具有很好的调控作用,可以选择合适的激光场参数和射频场参数来操纵单分子发射光子。     

红外InGaAs/InP单光子探测器的温度特性研究

分析了SAGM-APD单光子探测器暗电流产生的机理;得出工作温度和偏置电压是影响SAGM InGaAs/InP单光子探测器探测性能的重要因素.通过实验,分析了三种APD在不同温度下暗电流、光电流与偏置电压的关系曲线,得出一些结论.     

单分子光子源光子统计的非平衡探测

研究了在Hanbury Brown Twiss探测方式下，非平衡探测系统对光子统计测量的影响。通过记录2个单光子计数器响应的单分子光子源输出的每一个事件，分析具有泊松统计背景的实际单分子光子源的光子统计特性，讨论并给出了非平衡探测系统的单分子光子源Mandel参数。研究表明：非理想的50／50分束器、非理想的线性传输效率和非理想的探测器都会使单分子光子源Mandel参数的实际测量结果小于平衡系统的Mandel参数，最后给出了单分子光子源Mandel参数的非理想探测的校正表达式。     

虚光场对双模压缩真空场与原子相互作用系统中光子统计性质的影响

研究了非旋波近似下双模压缩真空场与二能级原子相互作用系统中光子的统计性质,着重讨论了虚光场效应对光子统计性质的影响.数值计算结果表明,虚光场对光子统计性质的影响主要表现为量子噪声,量子噪声的大小依赖于光场的初始压缩因子和原子的初始状态,且与原子光场耦合强度有关. 关键词： 非旋波近似 双模压缩真空场 二能级原子 光子统计性质     

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