多色多组份纠缠及高阶横模纠缠态的研究
量子光学（quantum optics）是以量子力学的方法研究光的产生、传输、检测及光与物质相互作用的学科。量子光学的理论研究已经历了一个多世纪，早在1900年普朗克提出了辐射场的量子论，成功地解释了黑体辐射问题，1905年，爱因斯坦把量子论贯穿整个辐射和吸收过程，提出的光量子理论，圆满解释了光电效应，并为后来的康普顿实验所证实;解释了普朗克黑体辐射公式，提出了光与原子相互作用时发生的三种物理过程，自发辐射，受激辐射，受激吸收。这些研究为二十世纪六十年代激光的产生奠定了基础。激光器能提供与普通热光场有着本质区别相干态光场为量子光学实验的发展开辟了新的道路。到今天，量子光学的理论和实验研究分别获得了惊人的成绩和长足的发展，尤其是在非经典光场的产生和应用方面，是量子信息科学与技术的重要基础与支撑。 一般来说，非经典光场拥有经典光场所没有的量子特性，例如表现在噪声和统计学性质等方面。例如压缩态、纠缠态光场。压缩纠缠态光场的噪声能突破经典光所能达到的极限、拥有热光场所没有的量子关联，可广泛应用于引力波探测，量子保密通讯等许多方面，是量子光学量子信息领域最重要、最基本的量子资源，也是量子光学领域热门的研究方向之一。近些年随着量子光学与量子信息的发展，空间量子光学与量子信息也取得了一系列重要进展。空间压缩纠缠态光场能提供空间上的量子关联特性，不同于一般的基于TEM00模的纠缠态光场，仅仅是时间尺度上的量子纠缠。因此空间压缩纠缠态光场在空间信息传输、超高精细度的测量、量子成像及图像传输、量子全息术、无噪声图像放大等方面有重要的应用前景。 目前，压缩纠缠态光场也是量子光学领域热门的研究方向之一。 本文主要理论上研究了利用双端腔倍频产生双色三组分纠缠态光场;理论上设计构造了周期极化晶体PPKTP产生铯原子吸收线和通讯波段的两组份纠缠光;利用同时性准相位匹配技术理论上实现含铷原子吸收线的三色纠缠;实验上使用简并的光学参量放大器产生TEM00模和TEM01模压缩态光场以及TEM01模纠缠态光场。主要内容分为以下五个部分: 1)简要地从量子力学和量子光学的联系及各自的发展做了回顾。介绍了两类非经典光场，基于TEM00模的压缩态和纠缠态光场和基于高阶横模的空间压缩态和空间纠缠态光场，并介绍了上述光场的量子特性及应用。 2)对二阶非线性材料的双折射相位匹配和准相位匹配做了简要介绍，研究计算了实验中所用的532-1064nmPPKTP晶体准相位匹配的周期结构及下转换波长与匹配温度的关系;理论上从量子郎之万方程出发计算了通过简并的光学参量放大器产生的压缩态光场的经典和量子噪声特性，简要介绍了利用分束器耦合两束正交振幅压缩态光场产生纠缠态光场的方案。 3)理论上研究了利用双端腔倍频产生双色三组分纠缠态光场，给出了从腔的两个输出耦合镜产生的两束倍频光的量子纠缠特性以及两束倍频场和反射基频场的三组分纠缠，分别使用van Loock和Furusawa提出的连续变量三组分纠缠的不可分性充分判据和部分转置矩阵的最小本征值判据分析了三个光场的纠缠特性。 4)理论设计和构造了单周期极化晶体PPKTP。550nm泵浦内置PPKTP的光学参量振荡器产生852.37nm和1550.42nm的双色纠缠光，纠缠光的波长分别对应铯原子吸收线和通讯波长;理论研究了利用两个光学参量过程在同一周期中同时性准相位匹配技术构造周期极化晶体产生铷原子吸收线的多色三组份纠缠。介绍了在同一个周期内如何实现两个不同的光学参量过程同时满足准相位匹配。 5)从理论和实验上简要介绍了高阶厄米高斯横模的产生机理及实验上一般采用的产生方法。实验上利用光学参量放大器产生压缩度为2.8 dB的TEM00模和2.2dB的TEM01模的压缩态光场，实验上利用两束TEM01模的压缩态光场通过分束器耦合产生TEM01模的纠缠光场，测得正交振幅之和噪声低于散粒噪声基准1.5dB，正交位相之差低于散粒噪声基准1.2dB。 攻读博士期间所做的工作中，具有创新点的有以下几部分: 1.理论上提出通过双端腔倍频产生双色三组分纠缠，并用部分转置矩阵本征值方法对其进行判定。 2.理论上首次提出利用同时性准相位匹配周期极化晶体产生原子吸收线的三色纠缠方案。 3.实验上利用简并的光学参量放大器(DOPA)制备TEM01模压缩态光场并对其Wigner函数进行了重构。 4.实验上制备了TEM01模的纠缠态光场。
光学参量过程;压缩纠缠态;多色多组分纠缠;高阶横模
山西大学
博士
光学
郜江瑞
2011
中文
O431.2
121
2015-04-20（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）