一种啁啾纠缠光子对的压缩装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于量子光学中纠缠光子对的操纵技术领域，具体涉及一种啁嗽纠缠光子 对的压缩装置，还涉及利用上述压缩装置的方法。
【背景技术】
[0002] 用连续激光栗浦啁嗽准相位匹配非线性晶体时可以产生超宽频谱的纠缠光源，即 啁嗽纠缠光子对。这种纠缠光源可应用在高精度量子光学相干层析及大带宽量子信息处理 中，并能获得超窄洪 -欧-曼德尔HOM(Hong-Ou-Mandel)量子干涉结果。然而，由于晶体的色 散作用，使得啁嗽纠缠光子对的关联时间也同时被拓宽，因而不利于其在量子度量衡、量子 平板印刷等领域的应用。为了在不影响啁嗽纠缠光子超宽频谱的同时提高其时间关联性， 就必须压缩关联时间。传统方法采用色散介质(如，光纤)的相位补偿方案来压缩关联时间。 但缺陷是:压缩的关联时间依赖于色散介质的长度，只有在特殊位置才能被完美压缩;色散 介质中的高阶项也会降低压缩效果；纠缠光子信号经色散介质时会出现损耗。本发明方法 基于脉冲整形技术，利用菲涅尔二元相位通过整形啁嗽纠缠光子光谱来实现关联时间的压 缩，从而克服了相位补偿方法的缺陷。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种啁嗽纠缠光子对的压缩装置，解决了现有相位补偿方案 中纠缠光源经色散介质会出现损耗，压缩结果受色散介质长度及色散高阶项制约的问题。
[0004] 本发明的目的还在于提供利用上述压缩装置的压缩方法。
[0005] 本发明所采用的第一种技术方案是，一种啁嗽纠缠光子对的压缩装置，包括连续 激光器，连续激光器一侧的光路上依次设置有第一凸透镜、第一非线性晶体、第二凸透镜、 第一滤光器、第一准直器、液晶空间光调制器、第二准直器、第三凸透镜、第二非线性晶体、 第四凸透镜、第二滤光器、第五凸透镜、单光子探测器、光子计数器。
[0006] 本发明的第一种技术方案的特点还在于：
[0007] 第一非线性晶体采用具有啁嗽准相位匹配结构的非线性晶体。
[0008] 第二非线性晶体采用周期电极铌酸锂波导或周期电极磷酸氧钛钾晶体。
[0009] 本发明所采用的第二种技术方案是，
[0010] -种啁嗽纠缠光子对的压缩装置的压缩方法，具体步骤为：
[0011] 连续激光器经第一凸透镜聚焦后栗浦第一非线性晶体，经自发参量下转换过程产 生超宽带的啁嗽纠缠光子对，其中一个为信号光，另一个为闲散光，产生的啁嗽纠缠光子对 光束经第二凸透镜发散后进入第一滤光器滤掉多余的高频栗浦光，之后经第一准直器使啁 嗽纠缠光子对光束平行入射进入液晶空间光调制器，根据菲涅尔二元相位整形的方法，利 用液晶空间光调制器对产生的纠缠光谱中不同频率波带进行二元相位整形，使得展开的纠 缠光束频谱范围包含在液晶空间光调制器中整形的区间范围内，整形后的纠缠光束经过第 二准直器使其平行入射进入第三凸透镜聚焦纠缠光束，让聚焦的纠缠光束入射到第二非线 性晶体中，通过和频产生过程作为符合计数来探测最终结果，之后输出光束经第四凸透镜 发散后进入第二滤光器滤掉多余的低频光波，之后再经过第五凸透镜聚焦信号，将聚焦信 号输入单光子探测器中进行信号探测，探测到的信号再经过光子计数器得到最终的结果， 这一结果即表示由二阶关联函数表征的纠缠光子对间的关联时间的压缩结果。
[0012] 本发明的第二种技术方案的特点还在于：
[0013] 啁嗽纠缠光子对相位匹配为II型、频率简并且共线，即信号光和闲散光的偏振方 向互相垂直、中心频率相同，且栗浦光和信号光、闲散光传输方向相同。
[0014] 压缩效果是利用菲涅尔二元相位整形的方法通过在频域制备菲涅尔波带透镜来 实现，具体为：
[0015] 根据菲涅尔半波带法，将纠缠光谱分成许多菲涅尔频率波带，使得相邻两波带间 的相位差为I波带边界〇"的位置可以用下式计算：
[0016]
[0017]其中，0 = D2/8a，a为啁嗽参数，D=l/us-l/ui为信号光和闲散光的逆群速度之差；
[0018] 所分割的频率波带边界〇"由二次相位包络和π的整数倍相位值间的交叉点决定， 将啁嗽纠缠光谱分成很多的菲涅尔频率波带区间，{- Ω 〇，Ω 〇}，……{- Ω n+1，- Ω η}及{ Ω η， Ωη+ι};设在步页率区间{-Ω。，Ω。}产生的双光子时间振幅为
， 类似有
，则总的二阶关联函 数G2(t)表示为:G2(t)〇c | Xkik(T) |2,其中，k为整数；
[0019] 利用液晶空间光调制器按照上述分成的菲涅尔频率波带区间对双光子谱进行相 位整形，获得所有波带对应的二阶关联函数在中心频率处的相长干涉结果和非中心频率处 的相消干涉结果，从而压缩关联时间，压缩后的二阶关联函数为：
[0020] G2(t)cx | Xkfc2k-Xkfc(2k+1)|2，k = 0，l，2···。
[0021] 二元相位为(0, π)。
[0022] 本发明的有益效果是:本发明提供了一种啁嗽纠缠光子对的压缩装置及上述压缩 装置的压缩方法，其压缩效果和传统相位补偿方案相同。但却克服了传统相位补偿方案中 压缩结果受限于色散介质长度及色散高阶项、纠缠光子信号经色散介质时会出现损耗等缺 陷。此外，该发明中压缩纠缠光子对的部分只需采用单个二元相位整形器件即可完成，操作 简单，易实验实现。同时该发明拓展了脉冲整形技术在量子纠缠光源操纵中的应用。
【附图说明】
[0023] 图1是本发明一种啁嗽纠缠光子对的压缩装置的结构示意图；
[0024] 图2(a)是本发明中频率二次相位包络分布图；图2(b)是图2(a)对应的菲涅尔二元 相位整形示意图；
[0025]图3是啁嗽纠缠光子对关联时间压缩效果图。
[0026]图中，1.连续激光器，2.第一凸透镜，3.第一非线性晶体，4.第一滤光器，5.第一准 直器，6.液晶空间光调制器，7.第二非线性晶体，8.单光子探测器，9.光子计数器，10.第二 凸透镜，11.第二准直器，12.第三凸透镜，13.第四凸透镜，14.第二滤光器，15.第五凸透镜。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0028] 本发明一种啁嗽纠缠光子对的压缩装置，结构如图1所示，包括连续激光器1，连续 激光器1 一侧的光路上依次设置有第一凸透镜2、第一非线性晶体3、第二凸透镜10、第一滤 光器4、第一准直器5、液晶空间光调制器LC_SLM(liquid crystal-spatial light modulator)6、第二准直器11、第三凸透镜12、第二非线性晶体7、第四凸透镜13、第二滤光器 14、第五凸透镜15、单光子探测器8、光子计数器9。
[0029] 其中，第一非线性晶体3采用啁嗽准相位匹配非线性晶体，如周期电极磷酸氧钛钾 晶体（C_PPKTP，chirped periodically poled potassium titanyl phosphate)或啁嗽周 期电极化学计量组酸锂晶体（C_PPSLT，chirped periodically poled stoichiometric lithium tantalate)等具有啁嗽准相位匹配结构的非线性晶体。
[0030] 第二非线性晶体7采用周期电极银酸锂（PPLN，periodically poled lithium niobate)波导或周期电极磷酸氧钦钾晶体（PPKTP，periodically poled potassium titanyl phosphate)。
[0031] 本发明一种啁嗽纠缠光子对的压缩装置的压缩方法，具体步骤为：
[0032] 采用如图1所述的装置，连续激光器1经第一凸透镜2聚焦后栗浦第一非线性晶体3 (啁嗽周期电极磷酸氧钛钾晶体），经自发参量下转换（SPDC，spontaneous parametric down-conversion)过程产生超宽带的啁嗽纠缠光子对，其中一个为信号光，另一个为闲散 光。本发明涉及的啁嗽纠缠光子对相位匹配为II型、频率简并且共线，即信号光和闲散光的 偏振方向互相垂直、中心频率相同，且栗浦光和信号光、闲散光传输方向相同。产生的啁嗽 纠缠光子对光束经第二凸透镜10发散后进入第一滤光器4滤掉多余的高频栗浦光，之后经 第一准直器5使啁嗽纠缠光子对光束平行入射进入液晶空间光调制器(LC-SLM)6,根据如图 2(b)中菲涅尔二元相位整形的方法，利用LC-SLM6对产生的纠缠光谱中不同频率波带(频率 分量)进行二元相位(〇W)整形，使得展开的纠缠光束频谱范围包含在液晶空间光调制器6 中整形的区间范围内，整形后的纠缠光束经过第二准直器11使其平行入射进入第三凸透镜 12聚焦纠缠光束，让聚焦的纠缠光束入射到第二非线性晶体(周期电极铌酸锂波导)7中，通 过和频产生过程(SFG，sum-frequency generation)作为符合计数来探测最终结果，之后输 出光束经第四凸透镜13发散后进入第二滤光器14滤掉多余的低频光波，之后再经过第五凸 透镜15聚焦信号，将聚焦信号输入单光子探测器8中进行信号探测，探测到的信号再经过光 子计数器9得到最终的结果，这一结果即表示由二阶关联函数表征的纠缠光子对间关联时 间的