轨道角动量光的频率变换及在量子信息中的应用

摘要

人类对光的科学认知可以追溯到牛顿时代，当时人们普遍认为光具有粒子属性，并利用这种属性来解释一些基本反射、折射等现象。后来，惠更斯发展了波动光学来解释牛顿光学无法解释的干涉和衍射等现象。直到二十世纪初，量子力学的诞生以后，人类对光的认识达到一个全新的高度，认为光具有波粒二象性。人类对光的自由度的认知也由浅入深，从最初研究光的波长和偏振自由度，到现在研究光的轨道角动量自由度。光的偏振与波长自由度被广泛的应用于精密光学测量、光学传感以及光通信等领域。除此之外，光还具有轨道角动量自由度。由于轨道角动量光束具有特殊的空间结构和可构成无限维度的希尔伯特空间，因而它在微小粒子捕获、光镊、大容量高可靠性光通信、量子信息和精密测量中具有重要的应用。非线性晶体的和频、倍频与差频是拓展激光波长的重要技术手段。在量子光学领域，利用参量下转换过程可以产生多种非经典光源比如纠缠光子对和压缩态等，另外利用频率上转换可以实现红外单光子的上转化探测，以及构建通信波段与可见波段存储器的量子接口。本论文主要研究携带轨道角动量的光子在二阶非线性晶体中的高效率频率变换，基于这种变换可以实现基于轨道角动量自由度不同波长量子体系的对接，实现一个统一的高维量子网络，对于未来构建基于轨道角动量光的高维量子信息网络具有重要意义。
　　具体研究内容如下:
　　1.研究了轨道角动量光束在周期性准相位匹配晶体中的倍频与和频变换过程，证明了在二阶非线性相互作用中光的轨道角动量是守恒的，并且验证了不同轨道角动量的叠加态也可以相干的进行转换。系统的推导了轨道角动量在变换过程中的传播与干涉行为。此外，还研究发现了两个高斯光束的和频过程中可通过改变位相失配周期性改变和频光束的空间形状。
　　2.把非线性晶体放入一个驻波谐振腔中，用携带轨道角动量的光束去泵浦这个驻波腔，开展了通过腔谐振技术提高倍频效率的实验研究，使用PDH锁腔技术将腔锁定在与泵浦光束一样的腔的高阶本征模式上，实现高效率的轨道角动量光束倍频转换。当腔被锁定在泵浦轨道角动量光的模式上时，腔内的循环功率被极大的增强，因此泵浦轨道角动量光可以被有效地转换。
　　3.利用和频上转换过程，首次实现了红外通信波段携带轨道角动量标记单光子到可见波段光子的高效率频率变换。验证了在上转换过程中，单光子的非经典特性是保持的。并且，利用轨道角动量光子的干涉，验证了轨道角动量在上转换过程中的相干性是保持的，轨道角动量的叠加态也可以有效地上转换。
　　4.利用轨道角动量光的和频与参量下转换级联过程，实现轨道角动量信息在经典光通信网络与量子网络之间的交换。首先在第一块非线性晶体中将通信波段的经典轨道角动量光利用和频过程上转换到可见波段经典轨道角动量光，再利用上转换后光泵浦另外一块非线性晶体产生双色的轨道角动量纠缠光子对。在整个变换过程中轨道角动量的守恒保证了经典的轨道角动量信息传递到了轨道角动量纠缠光子对上。
　　本论文的特色和主要创新点包括:
　　1.系统全面的研究了轨道角动量光束在准相位匹配晶体中的二阶非线性倍频与和频转换过程，使用特殊设计的干涉仪来决定频率变换后的轨道角动量光的轨道角动量量子数，在倍频中最高得到轨道角动量量子数为100的紫外光，另外还验证了轨道角动量光束叠加也可以有效地变换，详细的研究了倍频与和频过程中轨道角动量光束的变换与传播行为，并且推导出倍频与和频变换后光束的解析表达式。另外，研究发现在两个高斯光的和频过程中，通过改变相互作用光场之间的位相失配可以周期性的改变和频光束的空间形状，讨论了和频光束的形状与晶体长度以及泵浦光束聚焦参数的关系。
　　2.首次完成轨道角动量光与腔的高阶模之间的耦合，实现轨道角动量量子数为2的光束高效率的倍频。实验中使用PDH锁频技术把光学腔长时间锁定在其高阶模式上，并且获得22.5mW的倍频轨道角动量光束，倍频效率达到10.3％。使用干涉的方法验证了倍频的轨道角动量光束的轨道角动量量子数为4，证明了在轨道角动量光束外腔倍频中轨道角动量是守恒的。
　　3.首次完成了通信波段轨道角动量量子态到可见波段量子态高效率的频率变换，并且验证了光子的量子特性在变换过程中是保持的，上转换的光子具有非经典的空间形状，通过Sagnac干涉仪产生轨道角动量与偏振超叠加态，验证了单光子轨道角动量叠加态也可以相干的进行频率上转换。实验中通过设计单共振的蝶形腔来增强泵浦光在腔内的循环功率，从而增强信号光的和频转换效率，对于轨道角动量量子数为1的单光子态的量子转换效率达到0.083。
　　4.首次利用和频与参量下转换级联过程，实现轨道角动量信息在经典与量子网络间的传递。实验中先通过腔增强和频实现1550nm携带轨道角动量的光束的高效率和频，得到525.5nm的轨道角动量光束，再用525.5nm的轨道角动量光束泵浦一块参量下转换晶体产生795nm和1550nm双色轨道角动量纠缠光子对。实验证明了通过改变1550nm经典相干光场的轨道角动量，所产生的光子对的轨道角动量关联发生变化。另外还在轨道角动量二维子空间中用干涉、CHSH不等式和量子态层析技术刻画光子对的纠缠特性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 轨道角动量光束简介

1．1．1 轨道角动量光束的基本特性

1．1．2 轨道角动量光束的产生与区分

1．1．3 轨道角动量光的研究进展及应用

1．2 非线性晶体频率变换简介

1．2．1 二阶非线性过程的基本概念

1．2．2 二阶非线性过程的耦合波方程描述

1．3 准相位匹配技术

1．3．1 准相位匹配基本理论

1．3．2 倍频中的准相位匹配

1．4 非线性频率变换的研究现状及应用

1．5 本论文的主要研究工作

参考文献

第二章 轨道角动量光在准相位匹配晶体中的倍频与和频变换

2．1 轨道角动量倍频与干涉

2．1．1 轨道角动量倍频实验装置介绍

2．1．2 倍频实验结果与理论分析

2．2 轨道角动量光束的和频变换

2．2．1 轨道角动量和频实验装置介绍

2．2．2 和频的实验结果与理论分析

2．3 和频中产生空间形状可控的光束

2．3．1 实验装置简介

2．3．2 实验结果与理论分析

2．4 本章小结

参考文献

第三章 轨道角动量光束外腔增强倍频

3．1 光学谐振腔的基本知识与设计

3．2 PDH谐振腔锁定技术

3．3 轨道角动量外腔倍频实验

3．4 本章小结

参考文献

第四章 单光子轨道角动量上转换

4．1 轨道角动量频率变换的基本理论

4．1．1 轨道角动量和频变换的量子理论

4．1．2 轨道角动量和频变换量子效率计算

4．2 基本实验设计与方法

4．2．1 实验装置介绍

4．2．2 和频腔的设计

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 相干光输入的实验结果

4．3．2 标记单光子输入下的实验结果

4．4 噪声分析以及优化设计方法讨论

4．5 本章小结

参考文献

第五章 轨道角动量经典网络与量子网络链接

5．1 实验原理图介绍

5．2 轨道角动量关联测量

5．3 二维子空间轨道角动量纠缠度量

5．4 本章小结

参考文献

第六章 论文总结与研究展望

6．1 本论文总结

6．2 未来研究展望

攻读博士学位期间发表论文与获奖

致谢