压缩态光场的实验研究以及相位敏感光学参量放大器中类EIT现象的实现

论文摘要

量子光学实验上的研究经过四十年的发展取得了可喜的成绩,特别是在非经典光场的产生和应用方面。由于光粒子性的存在,完全相干的光场依然存在着噪声。这种噪声是由光本身的发射过程所决定的,被称作为散粒噪声（Shot Noise）,是光粒子性的表现。尽管这一噪声极低,但随着现代通讯的迅猛发展,在许多领域散粒噪声已成为一道难以逾越的障碍。另外,随着探测信号的减小,散粒噪声在入射光中所占的比重也会增加,从而使微弱信号的测量受到一定的限制。突破散粒噪声的限制,在量子水平和量子层次对系统的物理量和状态进行精确的测量已成为近三十年来物理学所关注的一个重要研究课题。为突破量子噪声的限制,一个行之有效的方法就是最大程度地减少光源的量子噪声,受量子论海森伯测不准原理的限制,某一分量的量子噪声低于散粒噪声极限,其共轭分量的量子噪声必然大于散粒噪声极限,这种某一分量噪声低于散粒噪声的光场就是压缩态光场。目前,压缩态光场是量子光学研究中最热门的方向之一,压缩态光场可以广泛地应用于量子光学的众多研究领域中,如:光学精细测量、超微弱信息的量子传输、纠缠态光场的产生、量子通讯等。本文主要研究了使用光学参量过程产生压缩态光场、压缩态光场的特性以及对压缩态光场的操控。主要内容分为以下四个部分:1)简要对量子力学的产生、发展以及量子光学对量子力学的推动做了回顾。介绍了相干态和压缩态这两种非经典光场的分类、特性以及现在的研究状况。2)对简并光学参量放大过程中的准相位匹配和周期极化晶体做了简单介绍,介绍了简并光学参量放大器的理论模型,从光场运动方程出发介绍了光学参量过程的经典和量子特性。对我们使用周期性极化磷酸钛氧钾（KTiOPO4）晶体的准相位匹配光学参量放大的实验装置做了介绍,最后给出了我们的实验结果:我们使用平衡零拍探测法测量到3.41dB的实测真空压缩,和3.35dB的实测明亮压缩。考虑到光路传输效率、探测器量子效率以及平衡零拍干涉效率后,实际输出压缩度分别为4.86dB和4.75dB。并且在实验上研究了不同抽运功率下输出压缩度随抽运功率的变化情况,得出压缩度最大值一般出现在抽运功率为下转换阈值一半附近时的经验结论,为我们后续的实验工作奠定了基础。3)对量子层析技术做了简单介绍,从Wigner准概率分布函数的定义出发对逆Random变换做了理论上的分析。实验上使用量子层析技术测量真空态和压缩真空态在不同相位角下的噪声,使用统计方法对采集到的数据进行统计得到噪声的边缘分布函数,然后对边缘分布函数做逆Random变换,重构出了真空态光场和压缩真空态光场的Wigner函数。重构出的量子态Wigner函数与理论计算所得出的结果一致。4)对量子场注入的相位敏感光学参量放大器进行了理论上的计算,模拟了相位敏感光学参量放大器中的量子干涉现象,同时在实验上使用由光学参量振荡器产生的压缩真空态光场作为注入光,观察到了压缩态光场注入相位敏感光学参量放大器的量子干涉现象。并且利用运转于阈值以下的相位敏感简并光学参量放大器对注入其中的压缩真空态光场进行了操控。实现了对注入压缩真空态光场的二次压缩和反向压缩的操作。5)从理论上和实验上分析了双共振简并光学参量放大器的反射、透射以及色散特性。并在抽运光精细度远高于信号光精细度的条件下观察到了反射曲线中的吸收减弱,以及色散曲线中的强色散效应。使用简并光学参量放大器实现了类电磁诱导透明（EIT）效应。以上工作中,属于创新性工作的有以下几点:1.使用运转于阈值以下的光学参量放大器产生压缩态光场并使用量子层析技术对其、Wigner准概率分布函数进行了重构。2.首次实验上观察到相位敏感光学参量放大器中的量子干涉现象,并且运用量子干涉对注入压缩真空态光场进行操控。3.理论和实验上实现使用相位敏感光学参量放大器模拟电磁诱导透明现象。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 量子光学
• 1.2.1 非经典光场的定义
• 1.2.2 压缩态的分类
• 1.3 本文的主要工作
• 参考文献
• 第二章 使用准相位匹配参量过程产生压缩态光场
• 2.1 引言
• 2.2 参量过程
• 2.2.1 参量过程的定义及分类
• 2.2.2 参量过程产生压缩态光场
• 2.2.3 准相位匹配
• 2.2.4 周期极化晶体
• 2.3 利用参量过程产生压缩光的理论研究
• 2.3.1 光学参量放大器
• 2.3.2 简并光学参量放大器的经典特性
• 2.3.3 简并光学参量放大器的量子特性
• 2.4 参量过程产生压缩光的实验研究
• 2.4.1 平衡零拍探测
• 2.4.2 实验元件
• 2.4.3 实验装置及结果
• 2.5 小结
• 参考文献
• 第三章 压缩真空态光场Wigner准概率分布函数的重构
• 3.1 引言
• 3.2 量子层析技术
• 3.3 Wigner函数的重构的理论分析
• 3.4 Wigner函数的重构的实验实现
• 3.5 小结
• 参考文献
• 第四章 利用简并光学参量放大器对压缩真空态进行操控
• 4.1 引言
• 4.2 参量放大器和光场
• 4.3 对压缩真空态操控的实验实现
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 相位敏感光学参量放大器中的类EIT现象
• 5.1 引言
• 5.2 双共振简并光学参量放大器的理论计算
• 5.3 类EIT现象的实验实现
• 5.4 小结
• 参考文献
• 总结
• 附录1
• 附录2
• 附录3
• 发表论文
• 获奖情况
• 致谢
• 个人简况