光的几种量子特性的研究及应用

发布时间：2017-08-15 02:28

  本文关键词：光的几种量子特性的研究及应用

  更多相关文章： 量子光学 纠缠光子态 光子的角动量 光自旋霍尔效应 单量子表面等离激元 压缩态

【摘要】：本文将主要研究光的几种量子特性,包括光子的纠缠特性、光子的角动量相关应用、单量子表面等离激元态的相关特性。纠缠光子态的研究基于具有集成特征的铌酸锂波导物系进行,通过畴结构设计给出波导模式的非最大纠缠态及类型可调的偏振纠缠态的产生方案。关于光子的角动量,我们首先讨论了携带轨道角动量的双光子NOON态的产生及应用价值,然后我们研究了基于自旋—轨道角动量耦合的类内禀光自旋霍尔效应现象。最后一部分我们考虑表面等离激元的量子特性,研究了表面等离激元纠缠态及压缩态。具体可分为以下四部分：1.电光可调的纠缠光子态的产生我们首先讨论铌酸锂物系中电光效应的量子化,从理论上揭示了在量子层面上其相当于一个双光子相互作用的过程。铌酸锂可用于制备高质量的波导,是构建集成量子光路的理想系统；同时可对其进行畴结构设计,灵活地控制其中的参量下转换以及电光相互作用过程,从而可以有效地产生并调控纠缠光子态。基于该物系我们进行了两个工作。首先,我们提出了基于波导模式的双光子非最大纠缠态的产生方案。对铌酸锂波导的畴结构进行功能性分区设计,将其分为两个区域：第一段利用电光效应,可通过控制所加电压的值来调节产生的纠缠态的纠缠度；第二段,通过光子相互作用分别产生纠缠光子态的两个本征矢。然后,在第二项工作中我们对于铌酸锂波导设计了大周期套小周期的畴结构,可基于此实现电光可调的偏振纠缠态的产生。没有外加电压时可产生Type-Ⅱ偏振纠缠光子态,施加适当电压时则产生Type-Ⅰ偏振纠缠光子态。2.携带角动量的双光子NOON态的产生我们讨论了将光子的角动量引入特殊纠缠态——NOON态。可基于具有“叉形光栅”状极化图案的铌酸锂晶体实现携带角动量的双光子NOON态的产生。此系统中的自发参量下转换过程可利用非线性惠更斯—菲涅尔原理进行解释,由此亦可求得携带角动量的双光子NOON态的本征矢数学形式。此外,我们讨论了基于角动量补偿器、HOM干涉仪等元件检测该态相干性的方法。这种特殊的NOON态在角位移测量、遥感等应用中可较容易地获得相当于光子数为数十的传统NOON态的效果(目前基于光子数的NOON态很难将N提升到10以上),因而有很大的实用价值。3.基于自旋—轨道角动量耦合的类内禀光自旋霍尔效应我们考虑了近来研究热点之一的光自旋霍尔效应。基于本研究组特色的液晶螺旋结构系统,探究了其中自旋—轨道角动量耦合过程提供的等效磁场作用于赝自旋所导致的类内禀自旋霍尔效应。我们利用基于DMD设备的光取向方法制备了具有不同螺旋结构的液晶波片,并实验演示了其自旋霍尔效应分裂图案。理论模拟给出了与实验一致的结果。通过合理地控制液晶指向矢的横向分布,可对自旋—轨道耦合过程进行有效地调节,从而得到任意的自旋霍尔效应分裂图案。4.表面等离激元的量子特性我们研究了一种特殊界面电磁模式——表面等离激元(SPP)的量子特性,重点讨论了表面等离激元的纠缠态及压缩态。我们基于"survival"系统,揭示了SPP纠缠对承自入射光子态的纠缠特性,研究了其光谱性质并将其应用于能量—时间纠缠。后一部分我们讨论了SPP单量子之间的非线性相互作用,研究了通过SPP的参量下转换直接产生SPP压缩态的过程,并在混合型表面等离子波导中实际计算了压缩结果。我们所得的结果表明基于表面等离激元的量子系统是实现量子线路集成化的一个极具潜力的平台。
【关键词】：量子光学 纠缠光子态 光子的角动量 光自旋霍尔效应 单量子表面等离激元 压缩态
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O431.2
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-11
• 第一章 绪论11-18
• 1.1 从波粒二象性到光量子11-14
• 1.2 量子光学14-16
• 参考文献16-18
• 第二章 电光可调的纠缠光子态的产生18-53
• 2.1 自发参量下转换与纠缠光子态19-26
• 2.1.1 自发参量下转换19-21
• 2.1.2 电磁场的量子化21-22
• 2.1.3 纠缠光子态22-25
• 2.1.4 符合光子计数25-26
• 2.2 电光效应及其量子化26-30
• 2.2.1 电光效应26-27
• 2.2.2 电光致偏振旋转27-28
• 2.2.3 电光效应的量子化28-30
• 2.3 电光可控的非最大纠缠光子态的产生30-37
• 2.3.1 可设计畴结构的铌酸锂波导30-32
• 2.3.2 电光可控的非最大纠缠光子态32-36
• 2.3.3 非最大纠缠态的共生纠缠度36-37
• 2.4 电控开关式偏振纠缠光子态的产生37-46
• 2.4.1 产生电控开关式偏振纠缠光子态的设计方案37-41
• 2.4.2 电控开关式偏振纠缠光子对的态矢量41-44
• 2.4.3 电控开关式偏振纠缠光子态的性质44-46
• 2.5 本章小结46-48
• 参考文献48-53
• 第三章 携带角动量的NOON态的产生53-73
• 3.1 光子的角动量53-58
• 3.2 NOON态58-61
• 3.3 携带角动量的双光子NOON态61-68
• 3.4 本章小结68-69
• 参考文献69-73
• 第四章 基于液晶螺旋结构中的光与物质相互作用的类内禀自旋霍尔效应73-90
• 4.1 经典霍尔效应73-74
• 4.2 自旋霍尔效应74-75
• 4.3 光的自旋霍尔效应75-77
• 4.4 基于液晶螺旋结构中的光与物质相互作用的类内禀自旋霍尔效应77-86
• 4.5 本章小结86-87
• 参考文献87-90
• 第五章 表面等离激元纠缠态及压缩态90-124
• 5.1 表面等离激元及其一阶相干90-98
• 5.1.1 表面等离激元90-92
• 5.1.2 表面等离激元的激发92-93
• 5.1.3 表面等离激元的一阶相干性93-96
• 5.1.4 含有倾斜金属波导结构的SPP马赫—增德尔干涉仪96-98
• 5.2 表面等离激元的量子化98-99
• 5.3 表面等离激元纠缠态99-104
• 5.3.1 表面等离激元纠缠态及其数学形式100-101
• 5.3.2 表面等离激元纠缠态的相关性质101-104
• 5.4 表面等离激元非线性光学104-106
• 5.5 基于表面等离激元非线性相互作用的SPP压缩态106-119
• 5.5.1 压缩态106-107
• 5.5.2 通过参量下转换产生SPP压缩态107-115
• 5.5.3 基于混合型表面等离子波导的压缩结果115-119
• 5.6 本章小结119-120
• 参考文献120-124
• 第六章 总结124-126
• 攻读博士学位期间已发表及待发表的论文126-129
• 致谢129-130

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 王振林;;表面等离激元研究新进展[J];物理学进展;2009年03期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 刘云;红外单光子探测器的研制[D];中国科学技术大学;2007年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 赵金平;单光子计数系统的研究[D];长春工业大学;2013年

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本文编号：675865