单光子频率上转换探测及其量子特性研究

论文摘要

红外单光子探测具有非常重要的意义,在光通信、光雷达、激光测距、激光制导、量子信息学、物质检测与分析等诸多实际应用中发挥着重要的作用,既具有民事技术的普遍性,又有国防科技的特殊性。然而现今的铟镓砷雪崩光电二极管红外单光子探测器性能却差强人意,其探测效率、工作速率和背景噪声等指标与硅雪崩光电二极管可见光单光子探测器相比具有相当大的差距。单光子频率上转换技术是利用非线性光学的方法将红外单光子信号频率上转换为可见光波段的“镜像”光子,而且初始光子与“镜像”光子被证明是具有相同的量子态。这使得我们可以使用性能更好的硅雪崩光电二极管代替铟镓砷雪崩光电二极管实现红外单光子信号的高效探测。本文主要围绕如何实现长时间稳定的单光子频率上转换,如何实现高效率的单光子频率上转换过程,如何实现精确可控的单光子上转换波长调谐,如何降低单光子频率上转换的背景噪声等一系列关键问题开展研究,发展了多种新方案,构建了高性能的单光子频率上转换系统,并对其中一些新的量子特性和机制进行了探索。利用激光器腔内高强度,高稳定的光场作为泵浦光,利用腔内的周期极化的铌酸锂(PPLN)晶体实现了高效率的光通信波段单光子频率上转换。这种新方案充分发挥了固体激光器性能稳定,结构简单的优点,不需要使用复杂的伺服控制装置来锁定泵浦光强度。实验上我们获得几个小时内强度非常稳定的和频单光子信号,强度抖动的标准方差约为2.2%。通过使用激光模式控制技术对泵浦光的空间模式和光谱线宽等参数进行进一步的优化,可以有效提高泵浦光束质量和利用效率。使用单向环行腔激光器腔内泵浦的方案,实现了1.55μm单光子频率上转换,达到了迄今为止最高的单光子频率上转换效率——96%。由于强度均匀分布的泵浦光抑制了纵模竞争和光折变效应,和频信号的强度在几个小时内保持稳定,上转换抖动标准方差仅约为2%,稳定性指标在国际同类系统中领先。利用成熟的固体激光器的波长调谐技术,本文提出了可实时控制的高精度频率可调谐的上转换探测的实现方法。利用腔内标准具在PPLN晶体准相位匹配带宽内实现了频率可调谐的单光子频率上转换过程,经过实验研究确定了实现频率调谐的工作条件和参数允许范围。为了探索降低背景噪声的方法,本文使用掺铒光纤激光器和放大器作为泵浦源,实现了超低噪声的1.06μm单光子频率上转换过程。基本上消除了上转换荧光的非线性噪声影响,在93%单光子转换效率的条件下背景噪声仅为150/s。报导了迄今为止上转换探测器中最低的噪声等效光子数。由于背景噪声是限制上转换探测器性能的最重要因素之一,这项研究对提升上转换探测器的探测效率和灵敏度具有重要价值。最后,本论文通过分析多纵模泵浦条件下的单光子频率上转换过程,对其中一些新的物理机制开展了研究。入射光子的量子态会依据泵浦光的纵模分布而演化成相应的频率叠加态,这提供了一种通过控制经典的泵浦光来操控单光子量子态的手段,本文发展了一种简便的非破坏性的量子态路由器模型。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 单光子探测技术
• 1.2 单光子探测技术的研究意义
• 1.3 论文的内容安排
• 第二章 单光子频率上转换探测技术
• 2.1 单光子探测器的比较
• 2.2 频率上转换近红外单光子探测器
• 2.3 本文开展研究的创新性
• 第三章 单光频率上转换探测的理论基础
• 3.1 基于和频相互作用的单光子频率上转换
• 3.1.1 透明二阶非线性介质中的和频作用
• 3.1.2 和频过程中的单光子量子特性转移
• 3.1.3 和频光子量子特性转移的实现条件
• 3.2 基于四波混频相互作用的单光子频率上转换
• 3.2.1 利用四波混频作用实现单光子频率上转换
• 3.2.2 表面等离子体增强的单光子频率上转换方案
• 3.3 小结
• 第四章 腔内泵浦的单光子频率上转换
• 4.1 单光子频率上转换的泵浦源
• 4.2 周期极化的铌酸锂晶体（PPLN）
• 4.3 腔内泵浦的单光子频率上转换实验
• 4.3.1 腔内泵浦的单光子频率上转换探测系统
• 4.3.2 系统长期稳定性与非线性晶体光折变效应的影响
• 4.3.3 单光子频率上转换实验
• 4.4 结果及讨论
• 4.4.1 单光子频率上转换效率与泵浦光功率
• 4.4.2 背景噪声的组成
• 4.4.3 影响长期稳定性的因素及控制方法
• 第五章 泵浦激光模式控制与腔内单光子频率上转换
• 5.1 固体激光器的模式控制技术
• 5.1.1 激光横模的控制
• 5.1.2 激光纵模的控制
• 5.2 单向环行腔泵浦的单光子频率上转换系统
• 5.2.1 基于单向环形腔激光器泵浦的单光子频率上转换实验系统
• 5.2.2 小信号入射条件下的频率上转换
• 5.2.3 环行腔单光子频率上转换实验
• 5.3 结果与讨论
• 第六章 基于掺铒光纤激光器的单光子频率上转换系统
• 6.1 掺铒光纤激光器及放大器
• 6.2 红外1.06μm单光子频率上转换系统
• 6.2.1 泵浦激光器系统
• 6.2.2 1.06μm单光子频率上转换实验
• 6.3 结果与讨论
• 第七章 多纵模泵浦的单光子量子态频率转换
• 7.1 多纵模泵浦的单光子频率上转换的理论
• 7.1.1 多纵模泵浦的完全量子态转移
• 7.1.2 光子计数特性的保持
• 7.1.3 光子数统计分布量子特性的保持
• 7.1.4 实现量子态转移对多纵模泵浦光场的频谱要求
• 7.2 多纵模泵浦实验的结果分析
• 7.2.1 光子数统计分布特性保持的实验验证
• 7.2.2 可调谐的单光子频率上转换实验
• 7.2.3 多纵模泵浦频率上转换效率的稳定性
• 7.3 基于多纵模泵浦单光子频率上转换的量子路由器
• 7.4 小结
• 第八章 总结与展望
• 博士期间的科研成果和获得的奖励
• 致谢