1、基于單光子探測的光場統(tǒng)計性質的研究【摘要】：對光場各種經典和非經典現(xiàn)象的物理本質的研究是量子光學的重要研究方向之一。在量子力學中,密度算符可以完全地描述一個光場量子態(tài)。通過不同的實驗方法對量子態(tài)進行測量,可以得到關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。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。如通過關聯(lián)測量能夠得到光場的相干度的實驗,通過光子計數(shù)方法可以得到光場的光子數(shù)分布,通過零拍探測技術能夠獲得光場的振幅(位相)信息,等等。根據(jù)實驗系統(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轉為光電流,

2、而離散測量中探測器是在光子水平上對光子流進行光子計數(shù),此時探測器將探測到的光子轉換為相應的電脈沖輸出。由于這種離散探測技術可以響應單個光子,是目前為止最靈敏的光學測試手段,使其在現(xiàn)代量子光學實驗中有廣泛的應用。尤其被廣泛應用在單粒子操控方面進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注。單光子的產生是量子保密通信的基礎,目前實驗上已經通過單分子,中性原子、被俘獲的離子、量子點、摻雜的金剛石色心等多種方法實現(xiàn)了單光子源,利用單光子探測技術可以有效地判斷和檢驗輻射單光子源的質量。光子干涉實驗一直是量子光學研究的熱門課題,通過這類實驗可以使人們更加深刻地了解光的本性,在類

3、似實驗中,單光子探測技術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,單光子探測技術在量子光學的微弱光探測領域中已經顯示出誘人的前景。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是一個重要的課題。除此之外,單光子探測技術作為一種很好的弱光檢測方法許多領域中都有著廣泛的應用,如高分辨率的光譜測量、非破壞性物質分析、生物發(fā)光、放射探測、高能物理、天文測光等領域。單光子探測要求探測器對單個光子有很高的響應靈敏度,同時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相結合可以用來做單光子成像。另外,各種超導單光子探測器雖然正處于研制階段,但是其在量子效率、計數(shù)率、暗計數(shù)等方面的參數(shù)指標表明這種探測器的誘人前景,而且與半導體單光子探測器相比,這種探測器最大的優(yōu)點就是可以實現(xiàn)光子數(shù)分辨。與此同時,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的非線性晶體,可以降低泵浦功率。目前,在實驗中最廣泛應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,如近紅外波段量子效率高,暗計數(shù)低,工作電壓穩(wěn)定等。我們實驗室已經利用單光子計數(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數(shù)和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng),并且對該系統(tǒng)的基本參數(shù)(如探測器的死時間、暗計數(shù))進行了測試和校對。并且理論上利用單光子探測器組成的HBT實驗裝置分析了背景噪聲,SPCM不能同時響應多個光子的特性以及系統(tǒng)探測效率對不同光場量子統(tǒng)計性質的影響,實驗上用連續(xù)的相干光、熱光場對這些理論進行了驗

6、證。本文在已有工作的基礎上通過理論和實驗研究,對我們的單光子探測系統(tǒng)進行不斷完善,使其能夠更加準確地反映被測光場的性質,利用此探測系統(tǒng)測量了遠低于閾值的OPO中產生的關聯(lián)光子對的二階相干度。同時,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驗中的應用,本文完成的主要工作包含以下內容:1.利用單個單光子探測器直接對光子計數(shù)的方法,通過改變計數(shù)率,調整分辨時間,系統(tǒng)地研究相干光場和熱光場的二階相干度受實驗條件的影響。結果表明,在綜合考慮系統(tǒng)中的各種因素對測量影響的情況下,通過選擇合適的測試條件,可以利用單個單光子探測器直接探測的方法快速確定一個待測光場的二階相干度。實驗表明在實測

7、計數(shù)率為109kc/s,分辨時間范圍為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)計性質。2.利用由兩個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)的二階相干度隨計數(shù)率和分辨時間的變化。在計數(shù)率為50kc/s,分辨時間為32ns的實驗條件下,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實驗系統(tǒng),在不同光斑大小和毛玻璃轉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間。4.將單光子探測應用到糾纏光子對的測量中。測量了遠低于閾值的OPO中多模雙光子對的二階相干度,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實驗方案的基礎上將兩個探測器擴展為四個,基于這種擴展型的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方案進行了比較,結果表明在相同條件下,DoubleHBT方案可以更好的反映光場的統(tǒng)計性質,特別是對非單光子態(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,對不同條件下輸出態(tài)的光子統(tǒng)計特性進行了討論。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度的變化。這項

9、研究可以進一步深入,將其用到特定條件的各種量子態(tài)的制備和變換過程中。【關鍵詞】：量子光學單光子計數(shù)模塊二階相干度Wigner函數(shù)OPO腔【學位授予單位】：山西大學【學位級別】：博士【學位授予年份】：2009【分類號】：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單光子計數(shù)模塊(SPCM)26-341.2.2.1結構26-301.2.2.2工作原理301.2.2.3我們實驗中所用的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以及量子信息中的應用37-401.4本文結構安排40-43第二章光場統(tǒng)計性質的單光子測量43-872.1引言432.2光子計數(shù)統(tǒng)計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實驗47-482.3.4光子的群聚與反群聚效應48-492.4單個單光子探測器直接測量光場二階相干度的實驗研究49-542.4.1實驗裝置及實驗過程49-512.4.2探測系統(tǒng)分辨時間對測量結果的影響51-532.4.3計數(shù)率對測量結果的影響532.4.4小結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驗研究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實驗裝置及實驗過程57-592.5.1.3計數(shù)率對測量結果的影響59-602.5.1.4探測系統(tǒng)分辨時間對測量結果的影響60-612.5.1.5小結612.5.2利用單光子計數(shù)器測量贗熱光場的時間關聯(lián)特性61-662.5.2.1實驗裝置及實驗過程62-632.5.2.2實驗結果及分析63-662.5.2.3對真的熱光場的二階相干度測量的討論662.5.2.4小結662.5.3利用單光子計數(shù)器測量遠低于閾值的O

12、PO中多模關聯(lián)雙光子對二階相干度的測量66-732.5.3.1遠低于閾值的OPO中產生的多模雙光子對的關聯(lián)函數(shù)67-692.5.3.2實驗裝置69-702.5.3.3實驗結果及分析70-732.5.3.4小結732.6四個探測器組成的DoubleHBT方案對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)時的結果76-772.6.3被測光場為Fock態(tài)時的結果77-792.6.4被測光場為熱光場時的結果79-822.6.5被測光場為壓縮真空態(tài)時的結果82-832.6.6DoubleHBT方案與HBT方案的比較83-852.6.7

13、小結852.7本章小結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其它準概率分布函數(shù)94-963.3Wigner函數(shù)的測量96-1053.3.1光學零拍層析技術96-983.3.2基于光子計數(shù)的Winger函數(shù)的直接測量98-1053.4實驗105-1073.5光子計數(shù)直接測量Winger函數(shù)方法的應用107-1093.6小結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