近红外和中红外波段量子光源的频谱特性研究

作     者：田颖 

作者单位：武汉工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：金锐博

授予年度：2022年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 0702[理学-物理学] 

主      题：BBO晶体 HOM干涉 粒子群算法 中红外波段 PPLN晶体 

摘      要：量子光源包括单光子源和纠缠光源,它是量子信息处理应用中信息的载体,也是量子信息研究中重要的基础资源。按照工作波长分类,量子光源可分为可见光波段、近红外波段、中红外波段及其它波段的量子光源。目前常用的量子光源处于近红外波段,如810nm和1550nm波段,而中红外波段（约2-20μm）的量子光源研究处于起步阶段。虽然前人已取得一些进展,但近红外和中红外波段仍然缺乏高质量的量子光源。如何在近红外和中红外波段制备亮度高、频谱无关联和易于操作的量子光源仍然是一个亟待解决的问题。针对这一问题,本文对近红外波段和中红外波段的量子光源进行探究,主要包含以下两个工作:（1）在810nm波段,基于强聚焦泵浦产生纠缠光子进行Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉。该工作对在泵浦光强聚焦条件下基于偏硼酸钡（β-barium borate,BBO）晶体产生的双光子纠缠态光谱分布和HOM干涉进行了深入研究。理论计算发现,使用50mm透镜聚焦的情况与无聚焦的情况相比,下转换光的光谱宽度会增加7.4倍,HOM干涉条纹的宽度会减少为无聚焦情况的1/8,干涉条纹的可见度会从53.0%提高到98.7%。实验上使用Ⅱ型BBO晶体制备了能量-时间纠缠态,并进行了Hong-Ou-Mandel干涉,获得了（86.6±1.0）%的干涉可见度。干涉可见度获得极大提高的原因在于强聚焦改善了光谱的对称性。（2）在3.0μm波段,基于粒子群算法优化周期性极化铌酸锂（periodically polarized lithium niobate,PPLN）晶体产生频域纯态单光子源。在本工作中,提出了一种利用元启发式算法设计PPLN晶体的方法。具体地,采用了粒子群优化算法来优化PPLN晶体极化周期的占空比。经过优化后,在第三种群速度匹配条件下,光谱纯度由0.820提高到0.998。此外,经模拟计算后在波长简并条件下,波长可调谐范围为3.0μm～4.0μm;在波长非简并条件下,波长可调谐范围为3.0μm～3.7μm。该研究对中红外量子探测、量子成像和量子通信的发展具有重要意义。