窄線寬非經(jīng)典光源的制備及性質(zhì).pdf

1、糾纏光子是實現(xiàn)許多量子信息過程和完成量子光學(xué)實驗很重要的工具。目前為止，廣泛用來獲得糾纏光子源的方法是非線性晶體的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程(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，而原子系綜則被認為是一個好的量子中繼器的備選者。為了實現(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寬相比擬的帶寬。但是普遍普的SPDC光子因為其極大的帶寬而無法與原子相互作用，所有就必需壓窄它的線寬。近來，有不少這

2、個方面的一些簡單實驗被報導(dǎo)，在這些實驗中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。這個論文的工作就是備制這樣的光子。 整個論文分為六個部分，前面三個是關(guān)于如何備制窄線寬的非經(jīng)典光子對的實驗；然后的二個是實驗上所測的關(guān)于這類光子的一些性質(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。這個實驗第一個需求是要有一個紫外光源。雖然固體激光器已經(jīng)被很好的研究過，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，幾乎沒有。在我們實驗中需求的光波長為390納米，它的倍頻正好是Rb原子的D2線的吸收峰。因此，最好的辦法是通過二次諧波倍頻(SHG)的方法來獲得光源。SHG的理論早已被很好的建立，同時由于激光穩(wěn)頻和鎖腔技術(shù)的發(fā)展，新型的非線性晶體被開發(fā)出來，許多關(guān)于這方面的實驗被報道。但據(jù)我們所知還沒有在390納米或以下的頻段有過外腔式倍頻的報道。我們知道，這個頻段光的應(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。我們在實驗中所使用的晶體是PPKTP，一種新型的具有高光學(xué)非線性效率，高功率損失閾值的晶體。我們實驗的轉(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)用于量子信息過程和量子光學(xué)實驗。人們對SPDC光子已經(jīng)研究了幾十年。不少物理問題通過它被搞清楚，像Bell不等式的測量，量子隱形傳態(tài)。它也

5、被應(yīng)用于量子密碼，量子計算等等。這里，我們使有Ⅰ型的PPKTP晶體來備制雙光子。這個實驗的目的是通過測量來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)對下一步的實驗有不少幫助。 3)頻率對應(yīng)于Rb原子D2線多模雙光子的時間關(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。它的線寬要小上6個量級，因此它具有很長的相干時間和距離。更重要的是由于它的窄線寬，它有望與原子發(fā)生高效的相互作用，并被貯

6、存起來。光子的一個缺點是它總是在飛，所以不容易被局域化或是貯存?；谶@個原因它所攜帶的信息在光子消失后也隨之消失。不過根據(jù)電磁誘導(dǎo)透明理論(EIT)，如果一個窄帶光子的頻率與一種原子的吸收峰對應(yīng)，那它有可能被這種原子的系綜所貯存，信息也會被貯在原子系綜里。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。這是實現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)與量子貯存器的關(guān)鍵一步。我們實驗得到是光子帶寬為21MHz。 4)多模雙光子對在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)象來表現(xiàn)出來。一般來說，有兩種類型的干涉常被關(guān)注：一價干涉與二價干涉。人們設(shè)計了許多干涉儀去實現(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干涉儀做了一個相似的實驗，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，我

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

9、用的是單次通過的結(jié)構(gòu)，相比之下我們使用的是從OPO腔內(nèi)出來的光子。實驗的主要想法是當(dāng)一個光子進入干涉儀后，如果干涉儀的臂差大于光子的相干長度，那么就不會有干涉現(xiàn)象。反之，臂差小于相干長度，就會有干涉現(xiàn)象出現(xiàn)，而且條紋對一個波長之內(nèi)的長度改變極其敏感。實驗的結(jié)果顯示我們實驗中的光子的單光子相干長度為90μm，對應(yīng)于大概0.47nm的帶寬，然而實驗中的OPO腔的線寬為8MHz。它說明了如果沒有進一步的濾波，這種光子是無法與原子發(fā)生有效的相互