單光子頻率上轉(zhuǎn)換探測(cè)及其量子特性研究.pdf

1、紅外單光子探測(cè)具有非常重要的意義,在光通信、光雷達(dá)、激光測(cè)距、激光制導(dǎo)、量子信息學(xué)、物質(zhì)檢測(cè)與分析等諸多實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮著重要的作用,既具有民事技術(shù)的普遍性,又有國防科技的特殊性。然而現(xiàn)今的銦鎵砷雪崩光電二極管紅外單光子探測(cè)器性能卻差強(qiáng)人意,其探測(cè)效率、工作速率和背景噪聲等指標(biāo)與硅雪崩光電二極管可見光單光子探測(cè)器相比具有相當(dāng)大的差距。單光子頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)是利用非線性光學(xué)的方法將紅外單光子信號(hào)頻率上轉(zhuǎn)換為可見光波段的“鏡像”光子,而且初始光

2、子與“鏡像”光子被證明是具有相同的量子態(tài)。這使得我們可以使用性能更好的硅雪崩光電二極管代替銦鎵砷雪崩光電二極管實(shí)現(xiàn)紅外單光子信號(hào)的高效探測(cè)。本文主要圍繞如何實(shí)現(xiàn)長時(shí)間穩(wěn)定的單光子頻率上轉(zhuǎn)換,如何實(shí)現(xiàn)高效率的單光子頻率上轉(zhuǎn)換過程,如何實(shí)現(xiàn)精確可控的單光子上轉(zhuǎn)換波長調(diào)諧,如何降低單光子頻率上轉(zhuǎn)換的背景噪聲等-系列關(guān)鍵問題開展研究,發(fā)展了多種新方案,構(gòu)建了高性能的單光子頻率上轉(zhuǎn)換系統(tǒng),并對(duì)其中一些新的量子特性和機(jī)制進(jìn)行了探索。 利用激

3、光器腔內(nèi)高強(qiáng)度,高穩(wěn)定的光場(chǎng)作為泵浦光,利用腔內(nèi)的周期極化的鈮酸鋰(PPLN)晶體實(shí)現(xiàn)了高效率的光通信波段單光子頻率上轉(zhuǎn)換。這種新方案充分發(fā)揮了固體激光器性能穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),不需要使用復(fù)雜的伺服控制裝置來鎖定泵浦光強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)上我們獲得幾個(gè)小時(shí)內(nèi)強(qiáng)度非常穩(wěn)定的和頻單光子信號(hào),強(qiáng)度抖動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)方差約為2.2％。 通過使用激光模式控制技術(shù)對(duì)泵浦光的空間模式和光譜線寬等參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化,可以有效提高泵浦光束質(zhì)量和利用效率。使用單

4、向環(huán)行腔激光器腔內(nèi)泵浦的方案,實(shí)現(xiàn)了1.55μm單光子頻率上轉(zhuǎn)換,達(dá)到了迄今為止最高的單光子頻率上轉(zhuǎn)換效率--96％。由于強(qiáng)度均勻分布的泵浦光抑制了縱模競(jìng)爭(zhēng)和光折變效應(yīng),和頻信號(hào)的強(qiáng)度在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)保持穩(wěn)定,上轉(zhuǎn)換抖動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)方差僅約為2％,穩(wěn)定性指標(biāo)在國際同類系統(tǒng)中領(lǐng)先。 利用成熟的固體激光器的波長調(diào)諧技術(shù),本文提出了可實(shí)時(shí)控制的高精度頻率可調(diào)諧的上轉(zhuǎn)換探測(cè)的實(shí)現(xiàn)方法。利用腔內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)具在PPLN晶體準(zhǔn)相位匹配帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)了頻率可調(diào)諧的單

5、光子頻率上轉(zhuǎn)換過程,經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究確定了實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)諧的工作條件和參數(shù)允許范圍。為了探索降低背景噪聲的方法,本文使用摻鉺光纖激光器和放大器作為泵浦源,實(shí)現(xiàn)了超低噪聲的1.06μm單光子頻率上轉(zhuǎn)換過程?；旧舷松限D(zhuǎn)換熒光的非線性噪聲影響,在93％單光子轉(zhuǎn)換效率的條件下背景噪聲僅為150/s。報(bào)導(dǎo)了迄今為止上轉(zhuǎn)換探測(cè)器中最低的噪聲等效光子數(shù)。由于背景噪聲是限制上轉(zhuǎn)換探測(cè)器性能的最重要因素之一,這項(xiàng)研究對(duì)提升上轉(zhuǎn)換探測(cè)器的探測(cè)效率和靈敏度具有