窄線(xiàn)寬非經(jīng)典光源的制備及性質(zhì).pdf

1、糾纏光子是實(shí)現(xiàn)許多量子信息過(guò)程和完成量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)很重要的工具。目前為止，廣泛用來(lái)獲得糾纏光子源的方法是非線(xiàn)性晶體的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程(SPDC)。量子通信的其中重要一環(huán)是要有量子中繼器，也就是光子能被貯存在中繼器中，而原子系綜則被認(rèn)為是一個(gè)好的量子中繼器的備選者。為了實(shí)現(xiàn)原子與光子之間有效的耦合的必需使光子具有與原子自然線(xiàn)寬相比擬的帶寬。但是普遍普的SPDC光子因?yàn)槠錁O大的帶寬而無(wú)法與原子相互作用，所有就必需壓窄它的線(xiàn)寬。近來(lái)，有不少這

2、個(gè)方面的一些簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)被報(bào)導(dǎo)，在這些實(shí)驗(yàn)中Rb或Cs的熱原子系綜或它們的冷原子云被做為貯存器，而光子被做為飛行比特。這個(gè)論文的工作就是備制這樣的光子。 整個(gè)論文分為六個(gè)部分，前面三個(gè)是關(guān)于如何備制窄線(xiàn)寬的非經(jīng)典光子對(duì)的實(shí)驗(yàn)；然后的二個(gè)是實(shí)驗(yàn)上所測(cè)的關(guān)于這類(lèi)光子的一些性質(zhì)。最后一部分關(guān)于鎖腔和激光穩(wěn)頻的一些介紹。 1)獲得390nm紫外光的外腔式倍頻。這個(gè)實(shí)驗(yàn)第一個(gè)需求是要有一個(gè)紫外光源。雖然固體激光器已經(jīng)被很好的研究過(guò)，但

3、在紫外光譜范圍內(nèi)的半導(dǎo)體激光器還是非常的難找，幾乎沒(méi)有。在我們實(shí)驗(yàn)中需求的光波長(zhǎng)為390納米，它的倍頻正好是Rb原子的D2線(xiàn)的吸收峰。因此，最好的辦法是通過(guò)二次諧波倍頻(SHG)的方法來(lái)獲得光源。SHG的理論早已被很好的建立，同時(shí)由于激光穩(wěn)頻和鎖腔技術(shù)的發(fā)展，新型的非線(xiàn)性晶體被開(kāi)發(fā)出來(lái)，許多關(guān)于這方面的實(shí)驗(yàn)被報(bào)道。但據(jù)我們所知還沒(méi)有在390納米或以下的頻段有過(guò)外腔式倍頻的報(bào)道。我們知道，這個(gè)頻段光的應(yīng)用還是比較廣的，如生物醫(yī)藥，高分辨率

4、光譜，原子冷卻，量子光學(xué)等等。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中所使用的晶體是PPKTP，一種新型的具有高光學(xué)非線(xiàn)性效率，高功率損失閾值的晶體。我們實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)化效率為9.5％，泵浦功率為73mW。 2)用PPKTP晶體產(chǎn)生的超亮的Ⅰ型雙光子源。SPDC作為一種易操作、高效率、高信噪比的產(chǎn)生糾纏光子的方法已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于量子信息過(guò)程和量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)。人們對(duì)SPDC光子已經(jīng)研究了幾十年。不少物理問(wèn)題通過(guò)它被搞清楚，像Bell不等式的測(cè)量，量子隱形傳態(tài)。它也

5、被應(yīng)用于量子密碼，量子計(jì)算等等。這里，我們使有Ⅰ型的PPKTP晶體來(lái)備制雙光子。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的是通過(guò)測(cè)量來(lái)了解一些晶體的性質(zhì)，如它溫度的帶寬，雙光子的產(chǎn)生效率，這些數(shù)據(jù)對(duì)下一步的實(shí)驗(yàn)有不少幫助。 3)頻率對(duì)應(yīng)于Rb原子D2線(xiàn)多模雙光子的時(shí)間關(guān)聯(lián)函數(shù)的獲得。相比普通的SPDC光子，窄帶的SPDC光子有更多的優(yōu)點(diǎn)。它的線(xiàn)寬要小上6個(gè)量級(jí)，因此它具有很長(zhǎng)的相干時(shí)間和距離。更重要的是由于它的窄線(xiàn)寬，它有望與原子發(fā)生高效的相互作用，并被貯

6、存起來(lái)。光子的一個(gè)缺點(diǎn)是它總是在飛，所以不容易被局域化或是貯存?；谶@個(gè)原因它所攜帶的信息在光子消失后也隨之消失。不過(guò)根據(jù)電磁誘導(dǎo)透明理論(EIT)，如果一個(gè)窄帶光子的頻率與一種原子的吸收峰對(duì)應(yīng)，那它有可能被這種原子的系綜所貯存，信息也會(huì)被貯在原子系綜里。因此有了非經(jīng)典窄帶光子以后，人們就可以讓信息在光子與原子之間相互傳遞。這是實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)與量子貯存器的關(guān)鍵一步。我們實(shí)驗(yàn)得到是光子帶寬為21MHz。 4)多模雙光子對(duì)在Miche

7、lson干涉儀中的量子干涉現(xiàn)象。量子干涉是量子力學(xué)中既重要又神秘的現(xiàn)象之一。光子的性質(zhì)可以由干涉現(xiàn)象來(lái)表現(xiàn)出來(lái)。一般來(lái)說(shuō)，有兩種類(lèi)型的干涉常被關(guān)注：一價(jià)干涉與二價(jià)干涉。人們?cè)O(shè)計(jì)了許多干涉儀去實(shí)現(xiàn)兩種干涉，像Michelson干涉儀，Sagnac干涉儀等。日本的Goto等人利用一個(gè)不等臂干涉儀觀察了多模光子的干涉條紋。我們用Michelson干涉儀做了一個(gè)相似的實(shí)驗(yàn)，但我們不僅觀察了不等臂的情況而且也看了等臂的情況。即使在不等臂清況時(shí)，我

8、們的兩臂長(zhǎng)度也與Goto等人的不同，當(dāng)然干涉圖象也是不同的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)這種類(lèi)型的光子對(duì)干涉儀的臂差和位相是比較敏感的。 5)實(shí)驗(yàn)上測(cè)量多模光子的單光子相干長(zhǎng)度。在這部分我們測(cè)量了直接從遠(yuǎn)低閾值的OPO腔內(nèi)出來(lái)的多模光子的單光子相干長(zhǎng)度。雖然光子的帶寬是由它所出來(lái)的OPO腔的線(xiàn)寬決定的，但是由于光子豐富的縱模數(shù)，它還是只有一個(gè)很短的相干長(zhǎng)度。一個(gè)類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)曾在Phys．Rev．Lett．90，043602上報(bào)道過(guò)，但是他們使

9、用的是單次通過(guò)的結(jié)構(gòu)，相比之下我們使用的是從OPO腔內(nèi)出來(lái)的光子。實(shí)驗(yàn)的主要想法是當(dāng)一個(gè)光子進(jìn)入干涉儀后，如果干涉儀的臂差大于光子的相干長(zhǎng)度，那么就不會(huì)有干涉現(xiàn)象。反之，臂差小于相干長(zhǎng)度，就會(huì)有干涉現(xiàn)象出現(xiàn)，而且條紋對(duì)一個(gè)波長(zhǎng)之內(nèi)的長(zhǎng)度改變極其敏感。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示我們實(shí)驗(yàn)中的光子的單光子相干長(zhǎng)度為90μm，對(duì)應(yīng)于大概0.47nm的帶寬，然而實(shí)驗(yàn)中的OPO腔的線(xiàn)寬為8MHz。它說(shuō)明了如果沒(méi)有進(jìn)一步的濾波，這種光子是無(wú)法與原子發(fā)生有效的相互