基于单光子探测的光场统计性质的研究

论文摘要

对光场各种经典和非经典现象的物理本质的研究是量子光学的重要研究方向之一。在量子力学中,密度算符可以完全地描述一个光场量子态。通过不同的实验方法对量子态进行测量,可以得到关于密度算符矩阵元的一些信息,从这些信息中,我们能够了解各种光场量子态的不同性质。量子态测量的方法有很多种,这些方法从不同的方面反映了光场的性质。如通过关联测量能够得到光场的相干度的实验,通过光子计数方法可以得到光场的光子数分布,通过零拍探测技术能够获得光场的振幅（位相）信息,等等。根据实验系统和探测方式的不同,这些测量方法又分为连续和离散两种过程。在连续测量中探测器将光强转为光电流,而离散测量中探测器是在光子水平上对光子流进行光子计数,此时探测器将探测到的光子转换为相应的电脉冲输出。由于这种离散探测技术可以响应单个光子,是目前为止最灵敏的光学测试手段,使其在现代量子光学实验中有广泛的应用。尤其被广泛应用在单粒子操控方面进行灵敏的测试和分析。在最近几年兴起的量子信息中,单光子源及其探测倍受关注。单光子的产生是量子保密通信的基础,目前实验上已经通过单分子,中性原子、被俘获的离子、量子点、掺杂的金刚石色心等多种方法实现了单光子源,利用单光子探测技术可以有效地判断和检验辐射单光子源的质量。光子干涉实验一直是量子光学研究的热门课题,通过这类实验可以使人们更加深刻地了解光的本性,在类似实验中,单光子探测技术是必不可少的一部分。单光子测量作为一种典型的非高斯测量,它在量子态的条件制备中也具有重要的意义。由此可以看出,单光子探测技术在量子光学的微弱光探测领域中已经显示出诱人的前景。研究如何通过高效快速的单光子探测手段获得光场的性质是一个重要的课题。除此之外,单光子探测技术作为一种很好的弱光检测方法许多领域中都有着广泛的应用,如高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、生物发光、放射探测、高能物理、天文测光等领域。单光子探测要求探测器对单个光子有很高的响应灵敏度,同时要求探测器本身的热噪声很低。最近10年,单光子探测器的研制取得了长足的发展,可分辨光子数的探测器以及通讯波段的高效探测途径也在不断发展。目前可以用来做单光子计数的探测器主要有光电倍增管,雪崩式光电二极管,混合型光电二极管。微通道板与电荷耦合器件CCD相结合可以用来做单光子成像。另外,各种超导单光子探测器虽然正处于研制阶段,但是其在量子效率、计数率、暗计数等方面的参数指标表明这种探测器的诱人前景,而且与半导体单光子探测器相比,这种探测器最大的优点就是可以实现光子数分辨。与此同时,为了解决探测器在红外波段量子效率低的问题,人们还发展了基于频率上转换的单光子探测方式,这种方法是利用非线性晶体通过和频方法将红外光子转换为可见光子,在可见光波段单光子探测的效率更高一些,这种方法的转换效率很高,但是需要高的泵浦功率,目前有人提出使用波导的非线性晶体,可以降低泵浦功率。目前,在实验中最广泛应用的是用雪崩二极管制成的单光子探测器,由于其有诸多优点,如近红外波段量子效率高,暗计数低,工作电压稳定等。我们实验室已经利用单光子计数模块（SPCM-AQR-15,PerkinElmer Optoelectronics）和高速数据采集卡建立了一套光子计数和数据采集分析系统,并且对该系统的基本参数（如探测器的死时间、暗计数）进行了测试和校对。并且理论上利用单光子探测器组成的HBT实验装置分析了背景噪声,SPCM不能同时响应多个光子的特性以及系统探测效率对不同光场量子统计性质的影响,实验上用连续的相干光、热光场对这些理论进行了验证。本文在已有工作的基础上通过理论和实验研究,对我们的单光子探测系统进行不断完善,使其能够更加准确地反映被测光场的性质,利用此探测系统测量了远低于阈值的OPO中产生的关联光子对的二阶相干度。同时,探讨了单光子探测器在Wigner函数的直接获得以及条件测量等实验中的应用,本文完成的主要工作包含以下内容:1.利用单个单光子探测器直接对光子计数的方法,通过改变计数率,调整分辨时间,系统地研究相干光场和热光场的二阶相干度受实验条件的影响。结果表明,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,可以利用单个单光子探测器直接探测的方法快速确定一个待测光场的二阶相干度。实验表明在实测计数率为109 kc/s,分辨时间范围为28ns-212 ns的条件下,该系统能很好地揭示相干光场和热光场的光子统计性质。2.利用由两个单光子探测器组成的传统HBT方案,研究了相干光场和热光场从脉冲到连续的二阶相干度随计数率和分辨时间的变化。在计数率为50kc/s,分辨时间为32ns的实验条件下,可以很好的得到脉冲的相干光场和热光场的二阶相干度。3.利用该HBT实验系统,在不同光斑大小和毛玻璃转速条件下测量了赝热光车亩紫喔啥?并通过高斯拟合得到其相干时间。4.将单光子探测应用到纠缠光子对的测量中。测量了远低于阈值的OPO中多模双光子对的二阶相干度,研究了其随泵浦功率,晶体温度以及系统效率的变化。5.在HBT实验方案的基础上将两个探测器扩展为四个,基于这种扩展型的HBT方案,在理论上研究了效率及背景光噪声的变化对不同的入射光场的二阶相干度及Mandel参数Q的影响,并且将其与HBT方案进行了比较,结果表明在相同条件下,Double HBT方案可以更好的反映光场的统计性质,特别是对非单光子态光场。6.介绍了基于单光子探测的直接测量Wigner函数的方法,并且测量了真空态的Wigner函数。7.介绍了利用无损耗的分束器模型通过条件测量制备态的方法,对不同条件下输出态的光子统计特性进行了讨论。研究了不同入射光场情况下,输出态的二阶相干度和Mandel参数Q随条件测量及入射光场强度的变化。这项研究可以进一步深入,将其用到特定条件的各种量子态的制备和变换过程中。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 目录
• Contents
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 单光子探测器介绍
• 1.2.1 单光子探测器的种类
• 1.2.2 单光子计数模块（SPCM）
• 1.2.2.1 结构
• 1.2.2.2 工作原理
• 1.2.2.3 我们实验中所用的SPCM的特性参数
• 1.2.3 单光子探测器的现状及发展
• 1.3 单光子探测在量子光学以及量子信息中的应用
• 1.4 本文结构安排
• 第二章 光场统计性质的单光子测量
• 2.1 引言
• 2.2 光子计数统计
• 2.3 光场的二阶相干度及测量
• 2.3.1 光场的二阶相干度
• 2.3.2 不同光场的二阶相干度
• 2.3.3 HBT实验
• 2.3.4 光子的群聚与反群聚效应
• 2.4 单个单光子探测器直接测量光场二阶相干度的实验研究
• 2.4.1 实验装置及实验过程
• 2.4.2 探测系统分辨时间对测量结果的影响
• 2.4.3 计数率对测量结果的影响
• 2.4.4 小结
• 2.5 基于HBT方案的双探测器测量光场二阶相干度的实验研究
• 2.5.1 基于HBT方案的双探测器测量脉冲光场二阶相干度
• 2.5.1.1 脉冲光场的二阶相干度
• 2.5.1.2 实验装置及实验过程
• 2.5.1.3 计数率对测量结果的影响
• 2.5.1.4 探测系统分辨时间对测量结果的影响
• 2.5.1.5 小结
• 2.5.2 利用单光子计数器测量赝热光场的时间关联特性
• 2.5.2.1 实验装置及实验过程
• 2.5.2.2 实验结果及分析
• 2.5.2.3 对真的热光场的二阶相干度测量的讨论
• 2.5.2.4 小结
• 2.5.3 利用单光子计数器测量远低于阈值的OPO中多模关联双光子对二阶相干度的测量
• 2.5.3.1 远低于阈值的OPO中产生的多模双光子对的关联函数
• 2.5.3.2 实验装置
• 2.5.3.3 实验结果及分析
• 2.5.3.4 小结
• 2.6 四个探测器组成的Double HBT方案对不同的光场的二阶相干度和Mandel因子测量的影响
• 2.6.1 理论模型
• 2.6.2 被测光场为相干态时的结果
• 2.6.3 被测光场为Fock态时的结果
• 2.6.4 被测光场为热光场时的结果
• 2.6.5 被测光场为压缩真空态时的结果
• 2.6.6 Double HBT方案与HBT方案的比较
• 2.6.7 小结
• 2.7 本章小结
• 第三章 基于单光子探测的Wigner函数的直接测量
• 3.1 引言
• 3.2 量子态的相空间描述
• 3.2.1 Wigner函数
• 3.2.2 其它准概率分布函数
• 3.3 Wigner函数的测量
• 3.3.1 光学零拍层析技术
• 3.3.2 基于光子计数的Winger函数的直接测量
• 3.4 实验
• 3.5 光子计数直接测量Winger函数方法的应用
• 3.6 小结
• 第四章 无损耗分束器模型中条件测量输出态的光子统计特性
• 4.1 引言
• 4.2 理论模型
• 0，m₂）与输入的Fock态以及条件测量的关系'>4.3 不同光场得到条件输出态的概率P（n₀，m₂）与输入的Fock态以及条件测量的关系
• 4.3.1 相干态
• 4.3.2 热光场
• 4.3.3 压缩真空态
• 4.4 不同光场的条件输出态的Mandel参数及二阶相干度
• 4.4.1 相干态
• 4.4.2 热光场
• 4.4.3 压缩真空态
• 4.5 小结
• 全文总结与展望
• 附录A Double HBT方案中四个探测器探测光子数的16种联合概率计算
• 附录B Fock态和相干态Wigner函数的具体计算过程
• 参考文献
• 攻读博士期间完成的论文
• 致谢
• 个人简况及联系方式