發(fā)布時(shí)間：2018-07-07 18:59

  本文選題：NV色心 + 飛秒激光　； 參考：《華東師范大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：自從第一臺(tái)激光器產(chǎn)生迄今,量子光學(xué)實(shí)現(xiàn)了飛速的發(fā)展。人們對(duì)于光與物質(zhì)作用的興趣越來(lái)越濃厚,而對(duì)光與物質(zhì)世界的認(rèn)知也愈來(lái)愈深刻。近年來(lái),隨著單光子源在實(shí)驗(yàn)上的問(wèn)世以及其蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì),科學(xué)家們得以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)關(guān)于量子世界的眾多理論推測(cè),對(duì)單光子的研究成為國(guó)際前沿物理科學(xué)范疇之一。而基于金剛石內(nèi)雜質(zhì)與晶格空穴的組合(亦被稱為色心)的單光子源,以其載體樣品——金剛石,在可見(jiàn)光波段的高透明度、高穩(wěn)定性、高硬度、耐酸耐堿性等等優(yōu)點(diǎn),以及其本身發(fā)光的穩(wěn)定性和電子能級(jí)的易操控性,吸引著世界各地的科學(xué)家們開(kāi)展廣泛的研究,進(jìn)而推動(dòng)了金剛石色心在量子保密通訊的應(yīng)用、在生物成像的應(yīng)用、在納米尺度超靈敏探測(cè)的應(yīng)用、在量子計(jì)算以及其他一些重要應(yīng)用的研究。本論文的研究目標(biāo)是通過(guò)研究基于金剛石色心的單光子源光學(xué)性質(zhì)以及其熒光動(dòng)力學(xué)特性,來(lái)推動(dòng)實(shí)現(xiàn)高頻、窄線寬的單光子源產(chǎn)生,并推動(dòng)金剛石色心在單光子量子保密通訊、納米尺度探測(cè)領(lǐng)域等等方面的應(yīng)用,促進(jìn)基于金剛石色心的單光子頻率轉(zhuǎn)換的研究及更高層次的單光子操控等方面的探索。本文研究?jī)?nèi)容主要為以下三項(xiàng)基于實(shí)驗(yàn)研究的工作：第一,研究出一種新型的通過(guò)飛秒激光輻射來(lái)完成金剛石內(nèi)負(fù)電性氮空穴(NV-)色心制備的方法。利用超快飛秒激光在空氣中拉絲所產(chǎn)生的等離子體和電子束,輻射在Ib型金剛石表面,生成了單個(gè)NV-色心、多個(gè)NV-色心以及高密度NV-色心團(tuán)簇等,可以通過(guò)控制飛秒激光的輻射時(shí)間來(lái)對(duì)這三種NV-形式的生成起到一定的控制。生成的單個(gè)NV-色心的熒光光譜在637 nm位置上表現(xiàn)出較窄的零聲子線,其熒光光子自相關(guān)性測(cè)量結(jié)果表明優(yōu)良的“單一性”(光子反聚束效應(yīng))。第二,研制了基于金剛石內(nèi)負(fù)電性硅空穴(SiV")色心的新型高頻、窄線寬的觸發(fā)式單光子源。SiV-色心激發(fā)態(tài)壽命短至1-2 ns,并且一般SiV-色心熒光發(fā)射有70%的部分集中于其零聲子線(ZPL位于738 nm)上,因此單個(gè)SiV-色心將會(huì)是迄今為止非常理想的單光子源之一。首先建造了一臺(tái)重復(fù)頻率約30 MHz皮秒脈沖光纖激光器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)SiV-色心高頻激發(fā),又利用熒光收集性能很高的共聚焦顯微鏡掃描系統(tǒng),并選用高性能的帶通濾波片(中心波長(zhǎng)740 nm,帶寬10nm)來(lái)濾取SiV-零聲子線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明成功制備了一種新型的高頻、窄線寬的觸發(fā)式單光子源。這項(xiàng)研究將有利于基于真正意義上的觸發(fā)式單光子源保密通訊或量子密鑰輸送的研究,對(duì)于進(jìn)一步研究SiV-色心的熒光動(dòng)態(tài)或熒光動(dòng)力學(xué)有一定的意義,也對(duì)單光子的產(chǎn)生和操控方面的研究起到一定的推進(jìn)作用。第三,圍繞一類具有熒光偏振雙穩(wěn)態(tài)的單個(gè)SiV-色心,進(jìn)行了一系列細(xì)致的SiV-色心熒光動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和探索。此型SiV-色心在較低功率的532 nm激光激發(fā)下,表現(xiàn)出穩(wěn)定的發(fā)光強(qiáng)度和光譜以及一定的偏振性質(zhì),以及良好的“單一性”。在加大激發(fā)光功率后,此SiV-色心自發(fā)的產(chǎn)生了另一個(gè)偏振方向。通過(guò)對(duì)其熒光偏振雙穩(wěn)態(tài)特性的詳細(xì)研究,揭示了SiV-色心的一些重要的熒光動(dòng)態(tài)活性,對(duì)于更深入的研究SiV-電子性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)提供了有力的實(shí)驗(yàn)依據(jù),對(duì)制備更高性能和更實(shí)用化的單光子源有著重要意義。
[Abstract]:Since the first laser has been produced so far, quantum optics has developed rapidly. People have become increasingly interested in the role of light and matter, and the understanding of the world of light and material is becoming more and more profound. In recent years, with the advent of the single photon source in the experiment and its flourishing development, scientists have been able to test it through experiments. The study of the quantum world suggests that the study of single photons has become one of the international frontiers of physics. A single photon source based on the combination of impurities and lattice holes in the diamond (also known as the color center), with its carrier sample, diamond, high transparency, high stability, high hardness, acid resistance and alkali resistance in the visible light wave segment The advantages such as sex and so on, as well as its luminescence stability and the easy manipulation of electronic energy levels, attract scientists from all over the world to carry out extensive research, and further promote the application of diamond color center in quantum secure communication, the application of biological imaging, the application of nano scale hypersensitivity detection, in quantum computing and some other The purpose of this paper is to study the optical properties of the single photon source based on diamond core and its fluorescence dynamics, to promote the generation of single photon sources with high frequency and narrow linewidth, and to promote the application of diamond color center in the field of single photon quantum secure communication and nanoscale detection and so on. The study of single photon frequency conversion based on diamond color center and the exploration of higher level single photon manipulation. The main contents of this paper are the following three experiments based on experimental research. First, a new method for the preparation of negative nitrogen cavity (NV-) color center in diamond by femtosecond laser radiation is studied. The plasma and electron beam produced by drawing the ultrafast femtosecond laser in the air are irradiated on the surface of the Ib diamond, generating a single NV- color center, multiple NV- color centers and high density NV- color core clusters, which can control the generation of the three NV- forms by controlling the radiation time of the femtosecond laser. The single N generated. The fluorescence spectrum of the V- color center shows a narrow zero phonon line at the 637 nm position, and its fluorescence photon autocorrelation results show a good "singleness" (photon antibunching effect). Second, a new high frequency, narrow linewidth triggered single photon source.SiV- color center excited state based on the negative silicon cavity (SiV ") color center in the diamond is developed. The lifetime is short to 1-2 ns, and 70% of the common SiV- color center fluorescence emission is concentrated on its zero phonon line (ZPL is 738 nm). Therefore, a single SiV- color center will be one of the most ideal single photon sources so far. First, a repetition rate of 30 MHz picosecond pulse optical fiber laser is built to achieve high frequency excitation of a single SiV- color center. In addition, a high performance confocal microscope scanning system with high performance is used to filter the SiV- zero phonon line with a high performance band pass filter (740 nm at the center wavelength, bandwidth 10nm). The experimental results show that a new type of trigger single light source with high frequency and narrow linewidth is successfully prepared. This study will be beneficial to the real significance. The research on the secret communication of the trigger single photon source or the quantum key transport has some significance for further studying the fluorescence dynamics and the fluorescence dynamics of the SiV- color center. It also plays a certain role in the research of the generation and manipulation of single photon. Third, a single SiV- color center with fluorescence polarization bistable state is carried out. An experimental observation and exploration of a series of detailed SiV- color center fluorescence dynamics. This type of SiV- color center shows a stable luminescence intensity and spectrum as well as a certain polarization property under the excitation of a lower power 532 nm laser, and a good "singleness". After increasing the excitation power, the SiV- color center spontaneously produces another polarization side. Through a detailed study of its fluorescence polarization bistability characteristics, some important fluorescence dynamic activities of the SiV- color center are revealed. It provides a powerful experimental basis for the more in-depth study of the electronic and optical properties of SiV-, which is of great significance for the preparation of higher performance and more practical Dan Guangzi sources.
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O431.2

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本文編號(hào)：2105942