基于纠缠光源的量子成像理论与实验研究

论文摘要

量子成像自二十世纪九十年代被发现后,由于其新奇的非局域特性引发了物理学界极大的兴趣。量子成像是新兴的量子信息与成像光学的交叉前沿热点,在生命科学、信息技术、国防军事等领域有着广阔的应用前景。近年来可见光波段经典热光场的量子成像已有大量的研究工作并取得了重要的进展。另外,量子成像的研究一方面向着短波的方向推进,如基于X射线的量子成像;另一方面费米子的量子成像也吸引了大量的关注,如热中子、电子等。量子纠缠是存在于多子系量子系统中的一种奇妙现象,即对一个子系统的测量结果无法独立于对其他子系统的测量参数。以纠缠双光子为例,无论两个光子相距多远,它们都保持着特别的关联性,即当其中一个被操作而状态发生变化时,另一个也会即刻发生相应的状态变化。量子纠缠无论对于一些基本物理问题的检验,还是对于实际应用,如量子通信、量子计算,都有着极其重要的意义。自发参量下转换是制备纠缠双光子源最常用的手段,它利用非线性晶体的二阶非线性效应,可以产生极化纠缠、角动量纠缠、时间-能量纠缠。自发参量下转换过程中,满足能量守恒和动量守恒,因此产生的两个光子在时间和空间上有着一定的关联性质。经典光学成像空间分辨率受制于瑞利衍射极限,即受光学设备及波长限制。理论计算表明：在量子成像架构下,当使用N光子纠缠源时,成像的空间分辨率比起经典光学提高N倍。随着超高亮度多光子纠缠源制备技术的发展,多光子量子成像成为可能。本论文研究了纠缠双光子源的量子成像,从理论和实验上深入探讨了纠缠光源性质及成像架构对量子成像的影响。为将来三光子甚至四光子纠缠源量子成像实验进行相关理论及技术准备。论文的主要研究内容及创新点如下：1.从理论上分析了纠缠光源特性对量子干涉成像的影响。对于自发参量下转换方法制备的纠缠光源,针对相位匹配提出并分析了两种数学模型。通过数值模拟发现对于实际量子成像所用非线性晶体,两种模型是等价的。2.设计基于Ⅱ型非共线参量下转换纠缠光源的量子成像实验平台,包括量子纠缠光源的制备、数据采集系统以及量子成像架构。基于自发参量下转换双光子纠缠源,从实验上研究了补偿装置对量子几何成像的影响：分析了物体——光阑距离对量子干涉成像的影响;探索了泵浦光聚焦对量子几何成像的影响。3.实验结果表明补偿系统对量子几何成像并无明显影响;在量子几何成像中,随着物体-光阑距离的增大,干涉图样对比度变大,成像质量有明显提高。当泵浦光被聚焦时,纠缠光子对的空间分布会因为聚焦而改变。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 表目录
• 图目录
• 第一章 绪论
• 1.1 量子成像的发展历程
• 1.1.1 量子成像的由来
• 1.1.2 纠缠光源符合成像
• 1.1.3 经典光场关联成像
• 1.1.4 量子成像的应用
• 1.2 量子成像的理论基础
• 1.2.1 基于统计光学的经典解释
• 1.2.2 基于双光子干涉的量子解释
• 1.2.3 基于“Advanced Wave”理论的唯像解释
• 1.3 论文的主要研究内容
• 第二章 基于纠缠光源的量子成像理论研究
• 2.1 自发参量下转换
• 2.2 纠缠光源的数学描述
• 2.3 高斯型描述光源干涉理论
• 2.4 Sinc型描述光源干涉理论
• 2.5 数值模拟
• 2.6 小结
• 第三章 基于纠缠光源的量子成像实验研究
• 3.1 量子光学器件
• 3.1.1 波片
• 3.1.2 极化片
• 3.1.3 分束器
• 3.1.4 偏振分束器
• 3.2 量子成像数据采集系统
• 3.3 纠缠光源简介
• 3.3.1 双光子纠缠
• 3.3.2 三光子纠缠
• 3.4 光源性质测试
• 3.5 补偿系统对量子成像的影响
• 3.6 物体-光阑距离对量子干涉成像的影响
• 3.6.1 量子干涉成像实验
• 3.6.2 量子干涉成像理论解释
• 3.7 小结
• 第四章 泵浦光聚焦对量子成像影响的实验研究
• 4.1 泵浦光聚焦对纠缠光源影响的理论分析
• 4.2 泵浦光聚焦下量子成像实验
• 4.3 泵浦光聚焦时的量子成像重现
• 4.4 小结
• 第五章 近红外上转换单光子探测器
• 5.1 单光子探测器
• 5.1.1 单光子探测的意义
• 5.1.2 近红外单光子探测器
• 5.1.3 上转换单光子探测器
• 5.2 频率转换——准相位匹配技术
• 5.3 基于PPLN波导的上转换单光子探测器
• 5.3.1 周期性极化铌酸锂波导
• 5.3.2 基于PPLN波导的上转换单光子探测器
• 5.4 小结
• 第六章 总结与展望
• 在读期间发表论文情况
• 致谢
• 参考文献