本文關(guān)鍵詞：軌道角動量光的頻率變換及在量子信息中的應(yīng)用，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：人類對光的科學(xué)認(rèn)知可以追溯到牛頓時代,當(dāng)時人們普遍認(rèn)為光具有粒子屬性,并利用這種屬性來解釋一些基本反射、折射等現(xiàn)象。后來,惠更斯發(fā)展了波動光學(xué)來解釋牛頓光學(xué)無法解釋的干涉和衍射等現(xiàn)象。直到二十世紀(jì)初,量子力學(xué)的誕生以后,人類對光的認(rèn)識達(dá)到一個全新的高度,認(rèn)為光具有波粒二象性。人類對光的自由度的認(rèn)知也由淺入深,從最初研究光的波長和偏振自由度,到現(xiàn)在研究光的軌道角動量自由度。光的偏振與波長自由度被廣泛的應(yīng)用于精密光學(xué)測量、光學(xué)傳感以及光通信等領(lǐng)域。除此之外,光還具有軌道角動量自由度。由于軌道角動量光束具有特殊的空間結(jié)構(gòu)和可構(gòu)成無限維度的希爾伯特空間,因而它在微小粒子捕獲、光鑷、大容量高可靠性光通信、量子信息和精密測量中具有重要的應(yīng)用。非線性晶體的和頻、倍頻與差頻是拓展激光波長的重要技術(shù)手段。在量子光學(xué)領(lǐng)域,利用參量下轉(zhuǎn)換過程可以產(chǎn)生多種非經(jīng)典光源比如糾纏光子對和壓縮態(tài)等,另外利用頻率上轉(zhuǎn)換可以實現(xiàn)紅外單光子的上轉(zhuǎn)化探測,以及構(gòu)建通信波段與可見波段存儲器的量子接口。本論文主要研究攜帶軌道角動量的光子在二階非線性晶體中的高效率頻率變換,基于這種變換可以實現(xiàn)基于軌道角動量自由度不同波長量子體系的對接,實現(xiàn)一個統(tǒng)一的高維量子網(wǎng)絡(luò),對于未來構(gòu)建基于軌道角動量光的高維量子信息網(wǎng)絡(luò)具有重要意義。 具體研究內(nèi)容如下： 1.研究了軌道角動量光束在周期性準(zhǔn)相位匹配晶體中的倍頻與和頻變換過程,證明了在二階非線性相互作用中光的軌道角動量是守恒的,并且驗證了不同軌道角動量的疊加態(tài)也可以相干的進(jìn)行轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)的推導(dǎo)了軌道角動量在變換過程中的傳播與干涉行為。此外,還研究發(fā)現(xiàn)了兩個高斯光束的和頻過程中可通過改變位相失配周期性改變和頻光束的空間形狀。 2.把非線性晶體放入一個駐波諧振腔中,用攜帶軌道角動量的光束去泵浦這個駐波腔,開展了通過腔諧振技術(shù)提高倍頻效率的實驗研究,使用PDH鎖腔技術(shù)將腔鎖定在與泵浦光束一樣的腔的高階本征模式上,實現(xiàn)高效率的軌道角動量光束倍頻轉(zhuǎn)換。當(dāng)腔被鎖定在泵浦軌道角動量光的模式上時,腔內(nèi)的循環(huán)功率被極大的增強(qiáng),因此泵浦軌道角動量光可以被有效地轉(zhuǎn)換。 3.利用和頻上轉(zhuǎn)換過程,首次實現(xiàn)了紅外通信波段攜帶軌道角動量標(biāo)記單光子到可見波段光子的高效率頻率變換。驗證了在上轉(zhuǎn)換過程中,單光子的非經(jīng)典特性是保持的。并且,利用軌道角動量光子的干涉,驗證了軌道角動量在上轉(zhuǎn)換過程中的相干性是保持的,軌道角動量的疊加態(tài)也可以有效地上轉(zhuǎn)換。 4.利用軌道角動量光的和頻與參量下轉(zhuǎn)換級聯(lián)過程,實現(xiàn)軌道角動量信息在經(jīng)典光通信網(wǎng)絡(luò)與量子網(wǎng)絡(luò)之間的交換。首先在第一塊非線性晶體中將通信波段的經(jīng)典軌道角動量光利用和頻過程上轉(zhuǎn)換到可見波段經(jīng)典軌道角動量光,再利用上轉(zhuǎn)換后光泵浦另外一塊非線性晶體產(chǎn)生雙色的軌道角動量糾纏光子對。在整個變換過程中軌道角動量的守恒保證了經(jīng)典的軌道角動量信息傳遞到了軌道角動量糾纏光子對上。 本論文的特色和主要創(chuàng)新點包括： 1.系統(tǒng)全面的研究了軌道角動量光束在準(zhǔn)相位匹配晶體中的二階非線性倍頻與和頻轉(zhuǎn)換過程,使用特殊設(shè)計的干涉儀來決定頻率變換后的軌道角動量光的軌道角動量量子數(shù),在倍頻中最高得到軌道角動量量子數(shù)為100的紫外光,另外還驗證了軌道角動量光束疊加也可以有效地變換,詳細(xì)的研究了倍頻與和頻過程中軌道角動量光束的變換與傳播行為,并且推導(dǎo)出倍頻與和頻變換后光束的解析表達(dá)式。另外,研究發(fā)現(xiàn)在兩個高斯光的和頻過程中,通過改變相互作用光場之間的位相失配可以周期性的改變和頻光束的空間形狀,討論了和頻光束的形狀與晶體長度以及泵浦光束聚焦參數(shù)的關(guān)系。 2.首次完成軌道角動量光與腔的高階模之間的耦合,實現(xiàn)軌道角動量量子數(shù)為2的光束高效率的倍頻。實驗中使用PDH鎖頻技術(shù)把光學(xué)腔長時間鎖定在其高階模式上,并且獲得22.5mW的倍頻軌道角動量光束,倍頻效率達(dá)到10.3%。使用干涉的方法驗證了倍頻的軌道角動量光束的軌道角動量量子數(shù)為4,證明了在軌道角動量光束外腔倍頻中軌道角動量是守恒的。 3.首次完成了通信波段軌道角動量量子態(tài)到可見波段量子態(tài)高效率的頻率變換,并且驗證了光子的量子特性在變換過程中是保持的,上轉(zhuǎn)換的光子具有非經(jīng)典的空間形狀,通過Sagnac干涉儀產(chǎn)生軌道角動量與偏振超疊加態(tài),驗證了單光子軌道角動量疊加態(tài)也可以相干的進(jìn)行頻率上轉(zhuǎn)換。實驗中通過設(shè)計單共振的蝶形腔來增強(qiáng)泵浦光在腔內(nèi)的循環(huán)功率,從而增強(qiáng)信號光的和頻轉(zhuǎn)換效率,對于軌道角動量量子數(shù)為1的單光子態(tài)的量子轉(zhuǎn)換效率達(dá)到0.083。 4.首次利用和頻與參量下轉(zhuǎn)換級聯(lián)過程,實現(xiàn)軌道角動量信息在經(jīng)典與量子網(wǎng)絡(luò)間的傳遞。實驗中先通過腔增強(qiáng)和頻實現(xiàn)1550nm攜帶軌道角動量的光束的高效率和頻,得到525.5nm的軌道角動量光束,再用525.5nm的軌道角動量光束泵浦一塊參量下轉(zhuǎn)換晶體產(chǎn)生795nm和1550nm雙色軌道角動量糾纏光子對。實驗證明了通過改變1550nm經(jīng)典相干光場的軌道角動量,所產(chǎn)生的光子對的軌道角動量關(guān)聯(lián)發(fā)生變化。另外還在軌道角動量二維子空間中用干涉、CHSH不等式和量子態(tài)層析技術(shù)刻畫光子對的糾纏特性。
【關(guān)鍵詞】：軌道角動量 準(zhǔn)相位匹配 頻率變換 參量下轉(zhuǎn)換 和頻 倍頻 光學(xué)諧振腔 軌道角動量糾纏 光子對
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O431.2
【目錄】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-12
• 目錄12-15
• 第1章 緒論15-37
• 1.1 軌道角動量光束簡介15-21
• 1.1.1 軌道角動量光的基本特性16-17
• 1.1.2 軌道角動量光的產(chǎn)生與區(qū)分17-18
• 1.1.3 軌道角動量光的研究進(jìn)展與應(yīng)用18-21
• 1.2 非線性晶體頻率變換簡介21-24
• 1.2.1 二階非線性過程的基本概念21-23
• 1.2.2 二階非線性過程的耦合波方程描述23-24
• 1.3 準(zhǔn)相位匹配技術(shù)24-27
• 1.3.1 準(zhǔn)相位匹配基本理論25-26
• 1.3.2 倍頻中的準(zhǔn)相位匹配26-27
• 1.4 非線性頻率變換的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用27-29
• 1.5 本論文的主要研究工作29-31
• 參考文獻(xiàn)31-37
• 第2章 軌道角動量光在準(zhǔn)相位匹配晶體中的倍頻與和頻變換37-59
• 2.1 軌道角動量光束的倍頻變換與干涉39-46
• 2.1.1 軌道角動量倍頻實驗裝置介紹39-40
• 2.1.2 倍頻實驗結(jié)果與理論分析40-46
• 2.2 軌道角動量光束的和頻變換46-49
• 2.2.1 軌道角動量和頻實驗裝置介紹46
• 2.2.2 和頻實驗結(jié)果與理論分析46-49
• 2.3 和頻中產(chǎn)生空間形狀可控的光束49-53
• 2.3.1 實驗裝置簡介49-50
• 2.3.2 實驗結(jié)果與理論分析50-53
• 2.4 本章小結(jié)53-55
• 參考文獻(xiàn)55-59
• 第3章 外腔增強(qiáng)高效率軌道角動量倍頻59-75
• 3.1 光學(xué)諧振腔基本知識與設(shè)計59-63
• 3.2 P D H鎖腔技術(shù)63-68
• 3.3 軌道角動量外腔倍頻實驗68-70
• 3.4 本章小結(jié)70-72
• 參考文獻(xiàn)72-75
• 第4章 單光子軌道角動量頻率上轉(zhuǎn)換75-91
• 4.1 軌道角動量頻率變換基本理論75-78
• 4.1.1 軌道角動量和頻變換的量子理論76
• 4.1.2 軌道角動量和頻變換量子效率計算76-78
• 4.2 基本實驗設(shè)計與方法78-81
• 4.2.1 實驗裝置介紹78-81
• 4.2.2 和頻腔的設(shè)計81
• 4.3 實驗結(jié)果與討論81-85
• 4.3.1 相干光輸入的實驗結(jié)果81-83
• 4.3.2 標(biāo)記單光子輸入下的實驗結(jié)果83-85
• 4.4 噪聲分析以及優(yōu)化方法討論85-86
• 4.5 本章小結(jié)86-87
• 參考文獻(xiàn)87-91
• 第5章 軌道角動量經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)與量子網(wǎng)絡(luò)鏈接91-103
• 5.1 實驗原理圖介紹92-93
• 5.2 軌道角動量關(guān)聯(lián)測量93-94
• 5.3 二維子空間軌道角動量糾纏度量94-97
• 5.4 本章小結(jié)97-98
• 參考文獻(xiàn)98-103
• 第6章 論文總結(jié)與研究展望103-105
• 6.1 本論文總結(jié)103-104
• 6.2 未來研究展望104-105
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與獲獎105-109
• 致謝109-11

【共引文獻(xiàn)】

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