自发参量下转换的光谱辐射特性理论分析与实验研究

摘要

近年来计量基准技术的发展趋势之一是以客观物理效应替代实物标准器，以提升基准的可复现性及精度和降低实物标准器逐级传递引入的累积误差。在辐射度学领域中，这一发展趋势体现在利用自参量下转换(spontaneous parametric down-conversion，SPDC)产生的相关光子建立光辐射绝对基准，国内外30年的研究成果已证明其具有技术上的优势和应用可行性。相比传统的基于辐射源或基于探测器定标方法，基于相关光子的定标技术是利用SPDC客观物理过程的可复现性，不依赖于某个实物标准器或某种传递过程，这为实现高精度绝对“无标准传递”辐射定标提供了一种可能。该研究方向是目前国际计量领域的一大热点。
　　论文首先充分调研了基于SPDC的辐射定标方法在国内外研究中的发展现状与趋势，分析了目前该方法在计量领域应用的技术突破难点，从而指出本文研究工作的必要性和重要性。其次，为扩宽基于相关光子的定标谱段，论文从SPDC产生机理和相位匹配原理出发，建立了基于SPDC产生相关光子的光谱分布与光子速率分布理论模型，并通过该模型数值模拟相关光子在晶体后端的出射角度与速率分布情况，由此设计了能产生连续宽波段相关光子对的非线性晶体。最后，在相关光子光谱辐射特性理论指导下，搭建了宽波段相关光子光谱、速率和时间相关性实验测量系统。
　　论文利用355nm半导体激光器泵浦BBO(B-BaB2O4)晶体产生的Ⅰ类SPDC过程，开展了宽波段(450nm～1000nm)相关光子光谱辐射特性的实验研究。通过单光子计数探测器分别测量了相关光子的光谱分布和光子速率分布，其中相关光子速率测量的最高信噪比达到417∶1。实验测量结果表明，相关光子光谱具有连续宽波段分布特点。通过与理论模拟结果比对，实验测量结果和理论模拟结果保持高度一致。同时，引入符合测量设备测量了四对相关光子对的时间相关特性，并从实验上观察到了“符合三峰”事件，测量到的最小相关时间为0.32ns，实验测量结果表明，相关光子光谱具有宽波段时间相关特性。
　　论文针对目前基于相关光子的定标技术向高精度、多谱段和模拟探测器等研究方向发展的趋势，分析了测量不确定度的米源，并给出了每项不确定性因子的评估方法。同时，论文提出了利用Ⅱ类SPDC效应提高相关光子产生效率的设想，这对提高相关光子辐射源信噪比具有一定的现实指导意义。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 辐射定标的方法及其发展

1．1．1 基于标准辐射源传递的辐射定标

1．1．2 基于标准探测器传递的辐射定标

1．1．3 基于SPDC的辐射定标方法

1．2 基于SPDC的绝对辐射定标技术发展现状

1．3 论文主要研究内容

2 SPDC的基本理论

2．1 SPDC产生机理

2．1．1 经典理论解释

2．1．2 量子力学理论解释

2．2 SPDC相位匹配条件

2．2．1 相位匹配原理

2．2．2 相位匹配方式

2．3 相关光子光谱分布和速率分布理论

2．3．1 相关光子光谱分布理论

2．3．2 相关光子速率分布理论

2．4 基于SPDC的定标原理

2．5 本章小结

3 相关光子光谱辐射特性实验测量系统

3．1 宽波段相关光子辐射源产生装置设计

3．1．1 泵浦光源的选择

3．1．2 非线性晶体的设计

3．1．3 格兰泰勒棱镜使用

3．1．4 半波片使用

3．1．5 聚焦透镜和消杂光阑的使用

3．2 单光子探测系统设计

3．2．1 单光子探测器

3．2．2 前置放大器的使用

3．2．3 甄别器和计数器使用

3．2．4 带通滤光片和截止滤光片调研和使用

3．3 符合测量系统的设计

3．4 本章小结

4 测量结果及其分析

4．1 相关光子光谱分布测量

4．1．1 分立波段光谱分布测量

4．1．2 连续波段光谱分布测量

4．2 相关光子速率分布测量

4．3 相关光子对的时间相关特性测量

4．4 本章小结

5 工作总结和进一步考虑

5．1 研究工作总结

5．2 下一步工作计划

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文