基于单光子频率上转换的轨道角动量的量子界面的效率优化

发布时间：2017-12-13 16:11

  本文关键词：基于单光子频率上转换的轨道角动量的量子界面的效率优化

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【摘要】：近十年来,由于其特殊的相位结构,涡旋光这种具有螺旋相位波前的特殊相位的一种光场逐渐受到科学家的关注。相比较普通的光场,其相位沿着光束传播的方向是线性旋转的,由于相位在光束的中心是一个奇异点,光场中心由于对称相位的相干相消而形成一个暗心,从而使得光强在空间上呈现圆环形的分布,中心的光场强度趋近于零,这种中空的光束在分子生物学、原子光学、高精度的光学测量都有着很高的应用价值,这种涡旋光场可以应用于对微小粒子的捕获,尤其可以用于捕获折射率较高的粒子,比如在生物学可以将其用于对细胞的控制。众所周知,光是一种很好的信息载体,光不仅有偏振自由度,还有位置,动量自由度,除了这些自由度以外还有由相位的变化引起的轨道角动量自由度,在相位空间也是具有量子化特征,可以将其用于高速高容量的量子通信。因此,这样一种含有特殊的螺旋相位波前的光学涡旋在量子信息传输中有很大的应用价值。在单光子频率上转换探测技术中,低能量的近红外波段的光子可以被转换到高能量的可见光波段并利用可见光波段的灵敏探测器实现高效率的光子计数探测。在上转换过程中,在合适的非线性晶体中,通过温度的调谐,可以实现高效率的准相位匹配,完成光子对的一对一的频率转换。在单光子非线性频率上转换过程中,信号光子保持其量子态的性质,不发生改变。单光子频率上转换中采用涡旋光作为信号光,在和频过程中光子的角动量与动量、能量一样是守恒的,轨道角动量量子数在整个非线性频率转换过程是保持不变的,对携有轨道角动量光子进行单光子频率上转换操作,将增加在这个非线性过程中的信息容量,对于非线性和频而言又增加了另一个更为广阔的探索空间,也让非线性频率上转换能应用在如生物医学,光学控制等更多的自然科学领域。随着光子轨道角动量在量子通信等诸多领域获得广泛的应用,可将携有轨道角动量的光子从光通信中用于传输波段转换到到用于量子信息存储的可见波段的量子界面正在受到广泛关注。本论文模拟了基于和频过程的从通信波长到可见光波长的涡旋光量子界面效率的优化。红外波段的信号光子波长为1558.0nm,并且载有不同的轨道角动量,通过优化调整1035.9 nm的泵浦光束束腰半径和束浦强度,可使转换到可见光波段622.2 nm达到最大的转换效率。本论文针对涡旋光的特性,在基于单光子频率上转换的涡旋光量子界面应用做了理论分析和模拟,主要对涡旋光上转换过程中量子转换效率与泵浦光光强以及束腰半径大小关系上进行了探索研究。本文在模拟过程中,针对三种不同的情况进行了比较讨论,在空间高斯光频率上转换的基础上,引进涡旋光,对泵浦光与信号光光束半径比值大小,泵浦光光强的大小对单光子频率上转换的量子转换效率的关系进行数值模拟。本论文的研究将有助于完善针对携有轨道角动量的光子通过单光子频率上转换构建的量子界面。
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O431.2

【参考文献】

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1 周志远;轨道角动量光的频率变换及在量子信息中的应用[D];中国科学技术大学;2015年

2 潘海峰;单光子频率上转换探测及其量子特性研究[D];华东师范大学;2008年

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本文编号：1285755