基于單光子探測(cè)的光場(chǎng)統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的研究.pdf

1、對(duì)光場(chǎng)各種經(jīng)典和非經(jīng)典現(xiàn)象的物理本質(zhì)的研究是量子光學(xué)的重要研究方向之一。在量子力學(xué)中，密度算符可以完全地描述一個(gè)光場(chǎng)量子態(tài)。通過(guò)不同的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)量子態(tài)進(jìn)行測(cè)量，可以得到關(guān)于密度算符矩陣元的一些信息，從這些信息中，我們能夠了解各種光場(chǎng)量子態(tài)的不同性質(zhì)。量子態(tài)測(cè)量的方法有很多種，這些方法從不同的方面反映了光場(chǎng)的性質(zhì)。如通過(guò)關(guān)聯(lián)測(cè)量能夠得到光場(chǎng)的相干度的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)光子計(jì)數(shù)方法可以得到光場(chǎng)的光子數(shù)分布，通過(guò)零拍探測(cè)技術(shù)能夠獲得光場(chǎng)的振幅（位相）

2、信息，等等。根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和探測(cè)方式的不同，這些測(cè)量方法又分為連續(xù)和離散兩種過(guò)程。在連續(xù)測(cè)量中探測(cè)器將光強(qiáng)轉(zhuǎn)為光電流，而離散測(cè)量中探測(cè)器是在光子水平上對(duì)光子流進(jìn)行光子計(jì)數(shù)，此時(shí)探測(cè)器將探測(cè)到的光子轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電脈沖輸出。
　　由于這種離散探測(cè)技術(shù)可以響應(yīng)單個(gè)光子，是目前為止最靈敏的光學(xué)測(cè)試手段，使其在現(xiàn)代量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)中有廣泛的應(yīng)用。尤其被廣泛應(yīng)用在單粒子操控方面進(jìn)行靈敏的測(cè)試和分析。在最近幾年興起的量子信息中，單光子源及其探測(cè)倍受關(guān)

3、注。單光子的產(chǎn)生是量子保密通信的基礎(chǔ)，目前實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)通過(guò)單分子，中性原子、被俘獲的離子、量子點(diǎn)、摻雜的金剛石色心等多種方法實(shí)現(xiàn)了單光子源，利用單光子探測(cè)技術(shù)可以有效地判斷和檢驗(yàn)輻射單光子源的質(zhì)量。光子干涉實(shí)驗(yàn)一直是量子光學(xué)研究的熱門課題，通過(guò)這類實(shí)驗(yàn)可以使人們更加深刻地了解光的本性，在類似實(shí)驗(yàn)中，單光子探測(cè)技術(shù)是必不可少的一部分。單光子測(cè)量作為一種典型的非高斯測(cè)量，它在量子態(tài)的條件制備中也具有重要的意義。由此可以看出，單光子探測(cè)技術(shù)在量

4、子光學(xué)的微弱光探測(cè)領(lǐng)域中已經(jīng)顯示出誘人的前景。研究如何通過(guò)高效快速的單光子探測(cè)手段獲得光場(chǎng)的性質(zhì)是一個(gè)重要的課題。除此之外，單光子探測(cè)技術(shù)作為一種很好的弱光檢測(cè)方法許多領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用，如高分辨率的光譜測(cè)量、非破壞性物質(zhì)分析、生物發(fā)光、放射探測(cè)、高能物理、天文測(cè)光等領(lǐng)域。
　　單光子探測(cè)要求探測(cè)器對(duì)單個(gè)光子有很高的響應(yīng)靈敏度，同時(shí)要求探測(cè)器本身的熱噪聲很低。最近10年，單光子探測(cè)器的研制取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，可分辨光子數(shù)的探測(cè)器

5、以及通訊波段的高效探測(cè)途徑也在不斷發(fā)展。目前可以用來(lái)做單光子計(jì)數(shù)的探測(cè)器主要有光電倍增管，雪崩式光電二極管，混合型光電二極管。微通道板與電荷耦合器件CCD相結(jié)合可以用來(lái)做單光子成像。另外，各種超導(dǎo)單光子探測(cè)器雖然正處于研制階段，但是其在量子效率、計(jì)數(shù)率、暗計(jì)數(shù)等方面的參數(shù)指標(biāo)表明這種探測(cè)器的誘人前景，而且與半導(dǎo)體單光子探測(cè)器相比，這種探測(cè)器最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以實(shí)現(xiàn)光子數(shù)分辨。與此同時(shí)，為了解決探測(cè)器在紅外波段量子效率低的問(wèn)題，人們還發(fā)展了

6、基于頻率上轉(zhuǎn)換的單光子探測(cè)方式，這種方法是利用非線性晶體通過(guò)和頻方法將紅外光子轉(zhuǎn)換為可見光子，在可見光波段單光子探測(cè)的效率更高一些，這種方法的轉(zhuǎn)換效率很高，但是需要高的泵浦功率，目前有人提出使用波導(dǎo)的非線性晶體，可以降低泵浦功率。
　　目前，在實(shí)驗(yàn)中最廣泛應(yīng)用的是用雪崩二極管制成的單光子探測(cè)器，由于其有諸多優(yōu)點(diǎn)，如近紅外波段量子效率高，暗計(jì)數(shù)低，工作電壓穩(wěn)定等。我們實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)利用單光子計(jì)數(shù)模塊（SPCM-AQR-15，Perkin

7、Elmer Optoelectronics）和高速數(shù)據(jù)采集卡建立了一套光子計(jì)數(shù)和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，并且對(duì)該系統(tǒng)的基本參數(shù)（如探測(cè)器的死時(shí)間、暗計(jì)數(shù)）進(jìn)行了測(cè)試和校對(duì)。并且理論上利用單光子探測(cè)器組成的HBT實(shí)驗(yàn)裝置分析了背景噪聲，SPCM不能同時(shí)響應(yīng)多個(gè)光子的特性以及系統(tǒng)探測(cè)效率對(duì)不同光場(chǎng)量子統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的影響，實(shí)驗(yàn)上用連續(xù)的相干光、熱光場(chǎng)對(duì)這些理論進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　本文在已有工作的基礎(chǔ)上通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)我們的單光子探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行不

8、斷完善，使其能夠更加準(zhǔn)確地反映被測(cè)光場(chǎng)的性質(zhì)，利用此探測(cè)系統(tǒng)測(cè)量了遠(yuǎn)低于閾值的OPO中產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)光子對(duì)的二階相干度。同時(shí)，探討了單光子探測(cè)器在Wigner函數(shù)的直接獲得以及條件測(cè)量等實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，本文完成的主要工作包含以下內(nèi)容:
　　1.利用單個(gè)單光子探測(cè)器直接對(duì)光子計(jì)數(shù)的方法，通過(guò)改變計(jì)數(shù)率，調(diào)整分辨時(shí)間，系統(tǒng)地研究相干光場(chǎng)和熱光場(chǎng)的二階相干度受實(shí)驗(yàn)條件的影響。結(jié)果表明，在綜合考慮系統(tǒng)中的各種因素對(duì)測(cè)量影響的情況下，通過(guò)選擇合適

9、的測(cè)試條件，可以利用單個(gè)單光子探測(cè)器直接探測(cè)的方法快速確定一個(gè)待測(cè)光場(chǎng)的二階相干度。實(shí)驗(yàn)表明在實(shí)測(cè)計(jì)數(shù)率為109 kc/s，分辨時(shí)間范圍為28 ns-212 ns的條件下，該系統(tǒng)能很好地揭示相干光場(chǎng)和熱光場(chǎng)的光子統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。
　　2.利用由兩個(gè)單光子探測(cè)器組成的傳統(tǒng)HBT方案，研究了相干光場(chǎng)和熱光場(chǎng)從脈沖到連續(xù)的二階相干度隨計(jì)數(shù)率和分辨時(shí)間的變化。在計(jì)數(shù)率為50kc/s，分辨時(shí)間為32ns的實(shí)驗(yàn)條件下，可以很好的得到脈沖的相干光場(chǎng)和

10、熱光場(chǎng)的二階相干度。
　　3.利用該HBT實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在不同光斑大小和毛玻璃轉(zhuǎn)速條件下測(cè)量了贗熱光場(chǎng)的二階相干度，并通過(guò)高斯擬合得到其相干時(shí)間。
　　4.將單光子探測(cè)應(yīng)用到糾纏光子對(duì)的測(cè)量中。測(cè)量了遠(yuǎn)低于閾值的OPO中多模雙光子對(duì)的二階相干度，研究了其隨泵浦功率，晶體溫度以及系統(tǒng)效率的變化。
　　5.在HBT實(shí)驗(yàn)方案的基礎(chǔ)上將兩個(gè)探測(cè)器擴(kuò)展為四個(gè)，基于這種擴(kuò)展型的HBT方案，在理論上研究了效率及背景光噪聲的變化對(duì)不同的入

11、射光場(chǎng)的二階相干度及Mandel參數(shù)Q的影響，并且將其與HBT方案進(jìn)行了比較，結(jié)果表明在相同條件下，Double HBT方案可以更好的反映光場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，特別是對(duì)非單光子態(tài)光場(chǎng)。
　　6.介紹了基于單光子探測(cè)的直接測(cè)量Wigner函數(shù)的方法，并且測(cè)量了真空態(tài)的Wigner函數(shù)。
　　7.介紹了利用無(wú)損耗的分束器模型通過(guò)條件測(cè)量制備態(tài)的方法，對(duì)不同條件下輸出態(tài)的光子統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行了討論。研究了不同入射光場(chǎng)情況下，輸出態(tài)的二階相干