單光子頻率上轉換探測及其量子特性研究.pdf

1、紅外單光子探測具有非常重要的意義,在光通信、光雷達、激光測距、激光制導、量子信息學、物質檢測與分析等諸多實際應用中發(fā)揮著重要的作用,既具有民事技術的普遍性,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器性能卻差強人意,其探測效率、工作速率和背景噪聲等指標與硅雪崩光電二極管可見光單光子探測器相比具有相當大的差距。單光子頻率上轉換技術是利用非線性光學的方法將紅外單光子信號頻率上轉換為可見光波段的“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現(xiàn)紅外單光子信號的高效探測。本文主要圍繞如何實現(xiàn)長時間穩(wěn)定的單光子頻率上轉換,如何實現(xiàn)高效率的單光子頻率上轉換過程,如何實現(xiàn)精確可控的單光子上轉換波長調諧,如何降低單光子頻率上轉換的背景噪聲等-系列關鍵問題開展研究,發(fā)展了多種新方案,構建了高性能的單光子頻率上轉換系統(tǒng),并對其中一些新的量子特性和機制進行了探索。 利用激

3、光器腔內高強度,高穩(wěn)定的光場作為泵浦光,利用腔內的周期極化的鈮酸鋰(PPLN)晶體實現(xiàn)了高效率的光通信波段單光子頻率上轉換。這種新方案充分發(fā)揮了固體激光器性能穩(wěn)定,結構簡單的優(yōu)點,不需要使用復雜的伺服控制裝置來鎖定泵浦光強度。實驗上我們獲得幾個小時內強度非常穩(wěn)定的和頻單光子信號,強度抖動的標準方差約為2.2％。 通過使用激光模式控制技術對泵浦光的空間模式和光譜線寬等參數(shù)進行進一步的優(yōu)化,可以有效提高泵浦光束質量和利用效率。使用單

4、向環(huán)行腔激光器腔內泵浦的方案,實現(xiàn)了1.55μm單光子頻率上轉換,達到了迄今為止最高的單光子頻率上轉換效率--96％。由于強度均勻分布的泵浦光抑制了縱模競爭和光折變效應,和頻信號的強度在幾個小時內保持穩(wěn)定,上轉換抖動標準方差僅約為2％,穩(wěn)定性指標在國際同類系統(tǒng)中領先。 利用成熟的固體激光器的波長調諧技術,本文提出了可實時控制的高精度頻率可調諧的上轉換探測的實現(xiàn)方法。利用腔內標準具在PPLN晶體準相位匹配帶寬內實現(xiàn)了頻率可調諧的單

5、光子頻率上轉換過程,經過實驗研究確定了實現(xiàn)頻率調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,實現(xiàn)了超低噪聲的1.06μm單光子頻率上轉換過程?；旧舷松限D換熒光的非線性噪聲影響,在93％單光子轉換效率的條件下背景噪聲僅為150/s。報導了迄今為止上轉換探測器中最低的噪聲等效光子數(shù)。由于背景噪聲是限制上轉換探測器性能的最重要因素之一,這項研究對提升上轉換探測器的探測效率和靈敏度具有