可调谐亚泊松光场制备及强度量子关联传递的实验研究

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在近二十年里,以非经典光场为研究对象的量子光学得到了飞速的发展并且受到了越来越多的关注。目前,可以应用的最好的非经典光场均是由参量过程(OPO)产生,诸多实验研究表明光学参量过程是产生压缩态的最佳方法之一,并且已经得到了广泛的应用。  本文结合非简并光学参量振荡器(NOPO)所产生孪生光束的强度量子关联特性及前馈控制理论,进行了可调谐亚泊松光场的理论与实验研究,这种亚泊松光场在量子精密测量及通信领域中有着重要的应用价值。同时,本文还详细介绍了利用两对孪生光束实现强度量子关联传递的理论推导及整个实验过程,以期望推动量子信息的实用化进程。  本文的主要内容有以下几个方面:  1、详细介绍了非简并光学参量振荡器产生孪生光束的物理过程,分析了其噪声特性,并介绍了其探测方法。  2、简要介绍了经典控制理论的数学模型及几种常用的分析方法,并讨论了其在光学领域中的部分应用包括在噪声抑制和精密控温中的应用。  3、介绍了利用孪生光束的强度量子关联特性和前馈校正机制产生亚泊松光场的理论模型并分析了其可调谐性。  4、通过调谐OPO中KTP晶体的温度,在实验上实现了波长从1076.4nm到1083.8nm可调谐的亚泊松光场制备;结合调谐激光器腔长可实现亚泊松光场的连续可调谐。另外,通过改变反馈回路中的相位延迟和系统增益,实验上实现了常温下不同边带频率点的压泊松态的制备和测量,最佳亚泊松光场的噪声压缩低于散粒噪声极限2.6dB。  5、利用数据采集卡和计算机数据分析处理,对单臂光、散粒噪声和所制备的亚泊松光场分别进行直接测量和统计分析,得到了超泊松态、泊松态和亚泊松态的光电流统计分布。  6、利用完全独立的两对孪生光束在实验上实现了强度量子关联在不同波长多光束间的传递,使得两束完全独立且不同频率的光束产生强度量子关联,强度差噪声在5.4MHz分析频率处低于相应的散粒噪声极限0.8dB左右。这对量子中继器乃至量子网络的发展有着重要意义。  7、另外,分别在第四章和第五章详细介绍了两项工作的实验装置,包括实验中所用到的两台全固化内腔倍频激光器、两个NOPO和两个系统的实验装置。  在这些研究工作中,属创新性的工作有以下几点:  1、首次通过前馈校正技术及可调谐光学参量过程实现了连续可调谐亚泊松光场的制备,波长调谐范围可达7.4nm。  2、在可调谐亚泊松光场制备基础上,首次通过对光场统计特性的直接测量,获得了利用参量过程产生亚泊松光场的统计分布。  3、首次利用两对孪生光束实现了多光束间强度量子关联的传递,使得两束完全独立的光束之间产生了强度量子关联。
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