轨道角动量光的频率变换及在量子信息中的应用

发布时间：2017-05-15 04:05

  本文关键词：轨道角动量光的频率变换及在量子信息中的应用，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：人类对光的科学认知可以追溯到牛顿时代,当时人们普遍认为光具有粒子属性,并利用这种属性来解释一些基本反射、折射等现象。后来,惠更斯发展了波动光学来解释牛顿光学无法解释的干涉和衍射等现象。直到二十世纪初,量子力学的诞生以后,人类对光的认识达到一个全新的高度,认为光具有波粒二象性。人类对光的自由度的认知也由浅入深,从最初研究光的波长和偏振自由度,到现在研究光的轨道角动量自由度。光的偏振与波长自由度被广泛的应用于精密光学测量、光学传感以及光通信等领域。除此之外,光还具有轨道角动量自由度。由于轨道角动量光束具有特殊的空间结构和可构成无限维度的希尔伯特空间,因而它在微小粒子捕获、光镊、大容量高可靠性光通信、量子信息和精密测量中具有重要的应用。非线性晶体的和频、倍频与差频是拓展激光波长的重要技术手段。在量子光学领域,利用参量下转换过程可以产生多种非经典光源比如纠缠光子对和压缩态等,另外利用频率上转换可以实现红外单光子的上转化探测,以及构建通信波段与可见波段存储器的量子接口。本论文主要研究携带轨道角动量的光子在二阶非线性晶体中的高效率频率变换,基于这种变换可以实现基于轨道角动量自由度不同波长量子体系的对接,实现一个统一的高维量子网络,对于未来构建基于轨道角动量光的高维量子信息网络具有重要意义。 具体研究内容如下： 1.研究了轨道角动量光束在周期性准相位匹配晶体中的倍频与和频变换过程,证明了在二阶非线性相互作用中光的轨道角动量是守恒的,并且验证了不同轨道角动量的叠加态也可以相干的进行转换。系统的推导了轨道角动量在变换过程中的传播与干涉行为。此外,还研究发现了两个高斯光束的和频过程中可通过改变位相失配周期性改变和频光束的空间形状。 2.把非线性晶体放入一个驻波谐振腔中,用携带轨道角动量的光束去泵浦这个驻波腔,开展了通过腔谐振技术提高倍频效率的实验研究,使用PDH锁腔技术将腔锁定在与泵浦光束一样的腔的高阶本征模式上,实现高效率的轨道角动量光束倍频转换。当腔被锁定在泵浦轨道角动量光的模式上时,腔内的循环功率被极大的增强,因此泵浦轨道角动量光可以被有效地转换。 3.利用和频上转换过程,首次实现了红外通信波段携带轨道角动量标记单光子到可见波段光子的高效率频率变换。验证了在上转换过程中,单光子的非经典特性是保持的。并且,利用轨道角动量光子的干涉,验证了轨道角动量在上转换过程中的相干性是保持的,轨道角动量的叠加态也可以有效地上转换。 4.利用轨道角动量光的和频与参量下转换级联过程,实现轨道角动量信息在经典光通信网络与量子网络之间的交换。首先在第一块非线性晶体中将通信波段的经典轨道角动量光利用和频过程上转换到可见波段经典轨道角动量光,再利用上转换后光泵浦另外一块非线性晶体产生双色的轨道角动量纠缠光子对。在整个变换过程中轨道角动量的守恒保证了经典的轨道角动量信息传递到了轨道角动量纠缠光子对上。 本论文的特色和主要创新点包括： 1.系统全面的研究了轨道角动量光束在准相位匹配晶体中的二阶非线性倍频与和频转换过程,使用特殊设计的干涉仪来决定频率变换后的轨道角动量光的轨道角动量量子数,在倍频中最高得到轨道角动量量子数为100的紫外光,另外还验证了轨道角动量光束叠加也可以有效地变换,详细的研究了倍频与和频过程中轨道角动量光束的变换与传播行为,并且推导出倍频与和频变换后光束的解析表达式。另外,研究发现在两个高斯光的和频过程中,通过改变相互作用光场之间的位相失配可以周期性的改变和频光束的空间形状,讨论了和频光束的形状与晶体长度以及泵浦光束聚焦参数的关系。 2.首次完成轨道角动量光与腔的高阶模之间的耦合,实现轨道角动量量子数为2的光束高效率的倍频。实验中使用PDH锁频技术把光学腔长时间锁定在其高阶模式上,并且获得22.5mW的倍频轨道角动量光束,倍频效率达到10.3%。使用干涉的方法验证了倍频的轨道角动量光束的轨道角动量量子数为4,证明了在轨道角动量光束外腔倍频中轨道角动量是守恒的。 3.首次完成了通信波段轨道角动量量子态到可见波段量子态高效率的频率变换,并且验证了光子的量子特性在变换过程中是保持的,上转换的光子具有非经典的空间形状,通过Sagnac干涉仪产生轨道角动量与偏振超叠加态,验证了单光子轨道角动量叠加态也可以相干的进行频率上转换。实验中通过设计单共振的蝶形腔来增强泵浦光在腔内的循环功率,从而增强信号光的和频转换效率,对于轨道角动量量子数为1的单光子态的量子转换效率达到0.083。 4.首次利用和频与参量下转换级联过程,实现轨道角动量信息在经典与量子网络间的传递。实验中先通过腔增强和频实现1550nm携带轨道角动量的光束的高效率和频,得到525.5nm的轨道角动量光束,再用525.5nm的轨道角动量光束泵浦一块参量下转换晶体产生795nm和1550nm双色轨道角动量纠缠光子对。实验证明了通过改变1550nm经典相干光场的轨道角动量,所产生的光子对的轨道角动量关联发生变化。另外还在轨道角动量二维子空间中用干涉、CHSH不等式和量子态层析技术刻画光子对的纠缠特性。
【关键词】：轨道角动量 准相位匹配 频率变换 参量下转换 和频 倍频 光学谐振腔 轨道角动量纠缠 光子对
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O431.2
【目录】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-12
• 目录12-15
• 第1章 绪论15-37
• 1.1 轨道角动量光束简介15-21
• 1.1.1 轨道角动量光的基本特性16-17
• 1.1.2 轨道角动量光的产生与区分17-18
• 1.1.3 轨道角动量光的研究进展与应用18-21
• 1.2 非线性晶体频率变换简介21-24
• 1.2.1 二阶非线性过程的基本概念21-23
• 1.2.2 二阶非线性过程的耦合波方程描述23-24
• 1.3 准相位匹配技术24-27
• 1.3.1 准相位匹配基本理论25-26
• 1.3.2 倍频中的准相位匹配26-27
• 1.4 非线性频率变换的研究现状和应用27-29
• 1.5 本论文的主要研究工作29-31
• 参考文献31-37
• 第2章 轨道角动量光在准相位匹配晶体中的倍频与和频变换37-59
• 2.1 轨道角动量光束的倍频变换与干涉39-46
• 2.1.1 轨道角动量倍频实验装置介绍39-40
• 2.1.2 倍频实验结果与理论分析40-46
• 2.2 轨道角动量光束的和频变换46-49
• 2.2.1 轨道角动量和频实验装置介绍46
• 2.2.2 和频实验结果与理论分析46-49
• 2.3 和频中产生空间形状可控的光束49-53
• 2.3.1 实验装置简介49-50
• 2.3.2 实验结果与理论分析50-53
• 2.4 本章小结53-55
• 参考文献55-59
• 第3章 外腔增强高效率轨道角动量倍频59-75
• 3.1 光学谐振腔基本知识与设计59-63
• 3.2 P D H锁腔技术63-68
• 3.3 轨道角动量外腔倍频实验68-70
• 3.4 本章小结70-72
• 参考文献72-75
• 第4章 单光子轨道角动量频率上转换75-91
• 4.1 轨道角动量频率变换基本理论75-78
• 4.1.1 轨道角动量和频变换的量子理论76
• 4.1.2 轨道角动量和频变换量子效率计算76-78
• 4.2 基本实验设计与方法78-81
• 4.2.1 实验装置介绍78-81
• 4.2.2 和频腔的设计81
• 4.3 实验结果与讨论81-85
• 4.3.1 相干光输入的实验结果81-83
• 4.3.2 标记单光子输入下的实验结果83-85
• 4.4 噪声分析以及优化方法讨论85-86
• 4.5 本章小结86-87
• 参考文献87-91
• 第5章 轨道角动量经典通信网络与量子网络链接91-103
• 5.1 实验原理图介绍92-93
• 5.2 轨道角动量关联测量93-94
• 5.3 二维子空间轨道角动量纠缠度量94-97
• 5.4 本章小结97-98
• 参考文献98-103
• 第6章 论文总结与研究展望103-105
• 6.1 本论文总结103-104
• 6.2 未来研究展望104-105
• 攻读博士学位期间发表的学术论文与获奖105-109
• 致谢109-11

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 王延辉;刘涛;A.Stejskal;赵燕宁;R.Dumke;张洁;陆泽晃;王力军;董太乾;;铟离子5s~(21)S_0-5s5p~3P_0参考用跃迁频率的精密测量[J];北京大学学报(自然科学版);2008年04期

2 冯驰;李强;姜梦华;王宝华;;Nd:YAG调Q脉冲激光器微孔实验研究[J];北京工业大学学报;2010年03期

3 罗亚梅;熊玲玲;梁一平;;菲涅耳衍射积分与缓变振幅近似对高斯光束的等效性[J];重庆师范大学学报(自然科学版);2006年02期

4 钟正根;范嗣强;戴特力;;高斯正支共焦非稳腔光束质量测量结果与分析[J];重庆师范大学学报(自然科学版);2007年04期

5 栗苹;孙建强;郭渭荣;陈慧敏;李昆;;激光引信发射光束空间分布研究[J];弹箭与制导学报;2009年01期

6 郑建洲;关寿华;于清旭;;激光光束质量的评价方法[J];大连民族学院学报;2008年01期

7 熊家昌,欧家鸣,王艳芳;求解Collins衍射积分,导出多缝干涉强度分布公式[J];大学物理;2005年10期

8 纪雯;过振;王石语;蔡德芳;文建国;;多束激光相干合成的数值模拟[J];电子科技;2009年03期

9 刘玮;王石语;连天虹;徐银新;;泵浦光空间强度分布对激光腔内横模分布的影响[J];电子科技;2010年10期

10 刘永欣;葛卫国;吕百达;;受光阑限制贝塞耳-高斯光束的衍射特性[J];光电工程;2005年12期

中国重要会议论文全文数据库 前9条

1 张乐;吴波;傅志辉;叶雯;沈永行;;基于光纤光栅Fabry-Perot腔锁频原理的高灵敏度光纤振动传感器[A];中国光学学会2010年光学大会论文集[C];2010年

2 耿玉民;徐东东;张来明;;高功率TEA CO_2激光器非稳腔设计与实验[A];中国光学学会2010年光学大会论文集[C];2010年

3 黄凯凯;张建伟;陈景标;王凤芝;杨东海;;钙原子束光学Ramsey实验研究[A];2005年全国时间频率学术交流会文集[C];2005年

4 陈景标;黄凯凯;杨东海;陈徐宗;;小型钙束光频标的两种改进方案[A];2005年全国时间频率学术交流会文集[C];2005年

5 彭瑜;赵阳;李烨;曹建平;方占军;臧二军;;使用Hansch-Couillaud实现461nm外腔倍频激光器的锁定[A];2009全国时间频率学术会议论文集[C];2009年

6 史春波;马献华;;探测视场对激光引信作用距离影响分析[A];2007年先进激光技术发展与应用研讨会论文集[C];2007年

7 所睿;孟飞;房芳;李天初;;基于超稳激光的超稳微波[A];第四届中国卫星导航学术年会论文集-S4 原子钟技术与时频系统[C];2013年

8 郭俊;刘奎;郭帅凤;蔡春晓;郜江瑞;;利用Ⅱ类OPO产生空间多模纠缠[A];第十六届全国量子光学学术报告会报告摘要集[C];2014年

9 郭帅凤;刘奎;郜江瑞;;利用液晶空间光调制器产生高阶拉盖尔高斯光束[A];第十六届全国量子光学学术报告会报告摘要集[C];2014年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 董渊;双半高斯空心光束的形成、传输及控制技术研究[D];长春理工大学;2010年

2 易煦农;人工电磁材料的光学特性及应用研究[D];华中科技大学;2010年

3 刘鹏;高效率泵浦耦合及光纤激光器关键技术研究[D];北京交通大学;2011年

4 郑建洲;高功率激光靶面均匀辐照技术的研究[D];大连理工大学;2011年

5 李国辉;应用于光钟的镱原子激光冷却和囚禁的理论研究[D];华东师范大学;2011年

6 王小林;激光相控阵中的优化式自适应光学研究[D];国防科学技术大学;2011年

7 肖光宗;基于Y型腔正交偏振双频激光器的激光加速度计初步研究[D];国防科学技术大学;2011年

8 周庆红;注入锁定钛宝石激光器的研制及其在光晶格钟中的应用[D];华东师范大学;2011年

9 卢华东;连续单频可调谐钛宝石激光器及其强度噪声特性的研究[D];山西大学;2011年

10 张鹏飞;强耦合腔量子电动力学的实现及单原子轨道的精密测量[D];山西大学;2011年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 王春华;Yb：YAG薄片内腔倍频技术研究[D];中国工程物理研究院;2010年

2 贺永乐;固体激光器中心掺杂晶体研究[D];西安电子科技大学;2011年

3 靳文龙;泵浦光对二极管泵浦固体激光器转换效率的影响[D];西安电子科技大学;2011年

4 解晨雪;基于调制转移光谱的半导体激光器的稳频方法[D];浙江大学;2011年

5 陶天炯;激光稳频锁相研究[D];浙江大学;2010年

6 王莉;光注入半导体激光器的电流双稳特性研究[D];西南大学;2011年

7 朱思祁;基模动态热稳定447nm蓝光激光器研究[D];暨南大学;2011年

8 徐昕;DPL腔内倍频脉冲激光器研究[D];西安电子科技大学;2011年

9 朱淋;连续LD侧面抽运高重频266nm紫外激光器研究[D];长春理工大学;2011年

10 李韬杰;LD侧面抽运高重频1.34μm激光器研究[D];长春理工大学;2011年

  本文关键词：轨道角动量光的频率变换及在量子信息中的应用，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：366832