基于單光子探測的光場統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的研究

1、基于單光子探測的光場統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的研究【摘要】：對(duì)光場各種經(jīng)典和非經(jīng)典現(xiàn)象的物理本質(zhì)的研究是量子光學(xué)的重要研究方向之一。在量子力學(xué)中,密度算符可以完全地描述一個(gè)光場量子態(tài)。通過不同的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)量子態(tài)進(jìn)行測量,可以得到關(guān)于密度算符矩陣元的一些信息,從這些信息中,我們能夠了解各種光場量子態(tài)的不同性質(zhì)。量子態(tài)測量的方法有很多種,這些方法從不同的方面反映了光場的性質(zhì)。如通過關(guān)聯(lián)測量能夠得到光場的相干度的實(shí)驗(yàn),通過光子計(jì)數(shù)方法可以得到光場的光子數(shù)分布,通過零拍探測技術(shù)能夠獲得光場的振幅(位相)信息,等等。根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和探測方式的不同,這些測量方法又分為連續(xù)和離散兩種過程。在連續(xù)測量中探測器將光強(qiáng)轉(zhuǎn)為光電流,

2、而離散測量中探測器是在光子水平上對(duì)光子流進(jìn)行光子計(jì)數(shù),此時(shí)探測器將探測到的光子轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電脈沖輸出。由于這種離散探測技術(shù)可以響應(yīng)單個(gè)光子,是目前為止最靈敏的光學(xué)測試手段,使其在現(xiàn)代量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)中有廣泛的應(yīng)用。尤其被廣泛應(yīng)用在單粒子操控方面進(jìn)行靈敏的測試和分析。在最近幾年興起的量子信息中,單光子源及其探測倍受關(guān)注。單光子的產(chǎn)生是量子保密通信的基礎(chǔ),目前實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)通過單分子,中性原子、被俘獲的離子、量子點(diǎn)、摻雜的金剛石色心等多種方法實(shí)現(xiàn)了單光子源,利用單光子探測技術(shù)可以有效地判斷和檢驗(yàn)輻射單光子源的質(zhì)量。光子干涉實(shí)驗(yàn)一直是量子光學(xué)研究的熱門課題,通過這類實(shí)驗(yàn)可以使人們更加深刻地了解光的本性,在類

3、似實(shí)驗(yàn)中,單光子探測技術(shù)是必不可少的一部分。單光子測量作為一種典型的非高斯測量,它在量子態(tài)的條件制備中也具有重要的意義。由此可以看出,單光子探測技術(shù)在量子光學(xué)的微弱光探測領(lǐng)域中已經(jīng)顯示出誘人的前景。研究如何通過高效快速的單光子探測手段獲得光場的性質(zhì)是一個(gè)重要的課題。除此之外,單光子探測技術(shù)作為一種很好的弱光檢測方法許多領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用,如高分辨率的光譜測量、非破壞性物質(zhì)分析、生物發(fā)光、放射探測、高能物理、天文測光等領(lǐng)域。單光子探測要求探測器對(duì)單個(gè)光子有很高的響應(yīng)靈敏度,同時(shí)要求探測器本身的熱噪聲很低。最近10年,單光子探測器的研制取得了長足的發(fā)展,可分辨光子數(shù)的探測器以及通訊波段的高效探

4、測途徑也在不斷發(fā)展。目前可以用來做單光子計(jì)數(shù)的探測器主要有光電倍增管,雪崩式光電二極管,混合型光電二極管。微通道板與電荷耦合器件CCD相結(jié)合可以用來做單光子成像。另外,各種超導(dǎo)單光子探測器雖然正處于研制階段,但是其在量子效率、計(jì)數(shù)率、暗計(jì)數(shù)等方面的參數(shù)指標(biāo)表明這種探測器的誘人前景,而且與半導(dǎo)體單光子探測器相比,這種探測器最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以實(shí)現(xiàn)光子數(shù)分辨。與此同時(shí),為了解決探測器在紅外波段量子效率低的問題,人們還發(fā)展了基于頻率上轉(zhuǎn)換的單光子探測方式,這種方法是利用非線性晶體通過和頻方法將紅外光子轉(zhuǎn)換為可見光子,在可見光波段單光子探測的效率更高一些,這種方法的轉(zhuǎn)換效率很高,但是需要高的泵浦功率,目

5、前有人提出使用波導(dǎo)的非線性晶體,可以降低泵浦功率。目前,在實(shí)驗(yàn)中最廣泛應(yīng)用的是用雪崩二極管制成的單光子探測器,由于其有諸多優(yōu)點(diǎn),如近紅外波段量子效率高,暗計(jì)數(shù)低,工作電壓穩(wěn)定等。我們實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)利用單光子計(jì)數(shù)模塊(SPCM-AQR-15,PerkinElmerOptoelectronics)和高速數(shù)據(jù)采集卡建立了一套光子計(jì)數(shù)和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng),并且對(duì)該系統(tǒng)的基本參數(shù)(如探測器的死時(shí)間、暗計(jì)數(shù))進(jìn)行了測試和校對(duì)。并且理論上利用單光子探測器組成的HBT實(shí)驗(yàn)裝置分析了背景噪聲,SPCM不能同時(shí)響應(yīng)多個(gè)光子的特性以及系統(tǒng)探測效率對(duì)不同光場量子統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的影響,實(shí)驗(yàn)上用連續(xù)的相干光、熱光場對(duì)這些理論進(jìn)行了驗(yàn)

6、證。本文在已有工作的基礎(chǔ)上通過理論和實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)我們的單光子探測系統(tǒng)進(jìn)行不斷完善,使其能夠更加準(zhǔn)確地反映被測光場的性質(zhì),利用此探測系統(tǒng)測量了遠(yuǎn)低于閾值的OPO中產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)光子對(duì)的二階相干度。同時(shí),探討了單光子探測器在Wigner函數(shù)的直接獲得以及條件測量等實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用,本文完成的主要工作包含以下內(nèi)容:1.利用單個(gè)單光子探測器直接對(duì)光子計(jì)數(shù)的方法,通過改變計(jì)數(shù)率,調(diào)整分辨時(shí)間,系統(tǒng)地研究相干光場和熱光場的二階相干度受實(shí)驗(yàn)條件的影響。結(jié)果表明,在綜合考慮系統(tǒng)中的各種因素對(duì)測量影響的情況下,通過選擇合適的測試條件,可以利用單個(gè)單光子探測器直接探測的方法快速確定一個(gè)待測光場的二階相干度。實(shí)驗(yàn)表明在實(shí)測

7、計(jì)數(shù)率為109kc/s,分辨時(shí)間范圍為28ns-2(12)ns的條件下,該系統(tǒng)能很好地揭示相干光場和熱光場的光子統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。2.利用由兩個(gè)單光子探測器組成的傳統(tǒng)HBT方案,研究了相干光場和熱光場從脈沖到連續(xù)的二階相干度隨計(jì)數(shù)率和分辨時(shí)間的變化。在計(jì)數(shù)率為50kc/s,分辨時(shí)間為32ns的實(shí)驗(yàn)條件下,可以很好的得到脈沖的相干光場和熱光場的二階相干度。3.利用該HBT實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),在不同光斑大小和毛玻璃轉(zhuǎn)速條件下測量了贗熱光車畝紫喔啥?并通過高斯擬合得到其相干時(shí)間。4.將單光子探測應(yīng)用到糾纏光子對(duì)的測量中。測量了遠(yuǎn)低于閾值的OPO中多模雙光子對(duì)的二階相干度,研究了其隨泵浦功率,晶體溫度以及系統(tǒng)效率的變化

8、。5.在HBT實(shí)驗(yàn)方案的基礎(chǔ)上將兩個(gè)探測器擴(kuò)展為四個(gè),基于這種擴(kuò)展型的HBT方案,在理論上研究了效率及背景光噪聲的變化對(duì)不同的入射光場的二階相干度及Mandel參數(shù)Q的影響,并且將其與HBT方案進(jìn)行了比較,結(jié)果表明在相同條件下,DoubleHBT方案可以更好的反映光場的統(tǒng)計(jì)性質(zhì),特別是對(duì)非單光子態(tài)光場。6.介紹了基于單光子探測的直接測量Wigner函數(shù)的方法,并且測量了真空態(tài)的Wigner函數(shù)。7.介紹了利用無損耗的分束器模型通過條件測量制備態(tài)的方法,對(duì)不同條件下輸出態(tài)的光子統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行了討論。研究了不同入射光場情況下,輸出態(tài)的二階相干度和Mandel參數(shù)Q隨條件測量及入射光場強(qiáng)度的變化。這項(xiàng)

9、研究可以進(jìn)一步深入,將其用到特定條件的各種量子態(tài)的制備和變換過程中?！娟P(guān)鍵詞】：量子光學(xué)單光子計(jì)數(shù)模塊二階相干度Wigner函數(shù)OPO腔【學(xué)位授予單位】：山西大學(xué)【學(xué)位級(jí)別】：博士【學(xué)位授予年份】：2009【分類號(hào)】：O431.2【目錄】：中文摘要4-7ABSTRACT7-12目錄12-15Contents15-19第一章緒論19-431.1引言19-201.2單光子探測器介紹20-371.2.1單光子探測器的種類20-261.2.2單光子計(jì)數(shù)模塊(SPCM)26-341.2.2.1結(jié)構(gòu)26-301.2.2.2工作原理301.2.2.3我們實(shí)驗(yàn)中所用的SPCM的特性參數(shù)30-341.2.3單光

10、子探測器的現(xiàn)狀及發(fā)展34-371.3單光子探測在量子光學(xué)以及量子信息中的應(yīng)用37-401.4本文結(jié)構(gòu)安排40-43第二章光場統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的單光子測量43-872.1引言432.2光子計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)43-452.3光場的二階相干度及測量45-492.3.1光場的二階相干度45-462.3.2不同光場的二階相干度46-472.3.3HBT實(shí)驗(yàn)47-482.3.4光子的群聚與反群聚效應(yīng)48-492.4單個(gè)單光子探測器直接測量光場二階相干度的實(shí)驗(yàn)研究49-542.4.1實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)過程49-512.4.2探測系統(tǒng)分辨時(shí)間對(duì)測量結(jié)果的影響51-532.4.3計(jì)數(shù)率對(duì)測量結(jié)果的影響532.4.4小結(jié)53-542.

11、5基于HBT方案的雙探測器測量光場二階相干度的實(shí)驗(yàn)研究54-732.5.1基于HBT方案的雙探測器測量脈沖光場二階相干度54-612.5.1.1脈沖光場的二階相干度54-572.5.1.2實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)過程57-592.5.1.3計(jì)數(shù)率對(duì)測量結(jié)果的影響59-602.5.1.4探測系統(tǒng)分辨時(shí)間對(duì)測量結(jié)果的影響60-612.5.1.5小結(jié)612.5.2利用單光子計(jì)數(shù)器測量贗熱光場的時(shí)間關(guān)聯(lián)特性61-662.5.2.1實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)過程62-632.5.2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析63-662.5.2.3對(duì)真的熱光場的二階相干度測量的討論662.5.2.4小結(jié)662.5.3利用單光子計(jì)數(shù)器測量遠(yuǎn)低于閾值的O

12、PO中多模關(guān)聯(lián)雙光子對(duì)二階相干度的測量66-732.5.3.1遠(yuǎn)低于閾值的OPO中產(chǎn)生的多模雙光子對(duì)的關(guān)聯(lián)函數(shù)67-692.5.3.2實(shí)驗(yàn)裝置69-702.5.3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析70-732.5.3.4小結(jié)732.6四個(gè)探測器組成的DoubleHBT方案對(duì)不同的光場的二階相干度和Mandel因子測量的影響73-852.6.1理論模型74-762.6.2被測光場為相干態(tài)時(shí)的結(jié)果76-772.6.3被測光場為Fock態(tài)時(shí)的結(jié)果77-792.6.4被測光場為熱光場時(shí)的結(jié)果79-822.6.5被測光場為壓縮真空態(tài)時(shí)的結(jié)果82-832.6.6DoubleHBT方案與HBT方案的比較83-852.6.7

13、小結(jié)852.7本章小結(jié)85-87第三章基于單光子探測的Wigner函數(shù)的直接測量87-1113.1引言87-883.2量子態(tài)的相空間描述88-963.2.1Wigner函數(shù)88-943.2.2其它準(zhǔn)概率分布函數(shù)94-963.3Wigner函數(shù)的測量96-1053.3.1光學(xué)零拍層析技術(shù)96-983.3.2基于光子計(jì)數(shù)的Winger函數(shù)的直接測量98-1053.4實(shí)驗(yàn)105-1073.5光子計(jì)數(shù)直接測量Winger函數(shù)方法的應(yīng)用107-1093.6小結(jié)109-111第四章無損耗分束器模型中條件測量輸出態(tài)的光子統(tǒng)計(jì)特性111-1314.1引言111-1124.2理論模型112-1144.3不同光場得到條件輸出態(tài)的概率P(n_0，m_2)與輸入的Fock態(tài)以及條件測量的關(guān)系114-1214.3.1相干態(tài)114-1164.3.2熱光場116-1194.3.3壓縮真空態(tài)119-1214.4不同光場的條件輸出態(tài)的Mandel參數(shù)及二階相干度121-1294