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[硕士论文] 徐冉
光学 黑龙江大学 2018(学位年度)
摘要:物理学里,能量转移过程是指在激发态的分子向基态弛豫的过程中,能量传递到另一个分子,使另一个分子从基态跃迁到激发态。而在能量转移机制中,最主要的两个机制是共振机制和电子交换机制,其中共振机制又被称为F(O)STER机制。F(O)STER型共振激发能量转移理论是一种重要的理论,在许多科研领域都有涉及,尤其是在生物领域有着很重要的地位。
  本篇论文主要是对量子点-有机染料混合体系中的能量转移过程进行研究。作为新兴材制,量子点以其独有的特性,备受科学家们的青睐。从能量状态上来说,量子点的结构类似于原子的分离能级结构,从性能上来说,波长可以调节,荧光效率高,稳定性强,这些特点使其成为当下研究的热点。卟啉和罗丹明B是两种传统的有机染料,可以将其制成既能与大分子选择性结合又能部分地进入细胞特定位置的荧光染料,在物理和生化分析领域中已有120余年的应用历史。
  本文使用以飞秒脉冲作为激发光源,搭建稳态和飞秒时间分辨吸收光谱探测系统,以非水溶性四苯基卟啉为能量受体,CdSe/ZnS核壳量子点为能量给体,构建复合材料体系,对二者间的能量转移特性进行研究。结果表明,给体的荧光强度会随着受体浓度的增加而逐渐减弱。二者之间的能量转移类型为非辐射型能量转移。
  本篇文章,利用CdTe/CdS/ZnS核壳量子点为能量给体,罗丹明B为能量受体,对两者的混合水溶液体系间发生的荧光共振能量转移进行研究。以飞秒脉冲激光作为激发光源,获得时间分辨吸收光谱,实验发现,瞬态吸收信号上升与罗丹明B受体浓度之间存在明显的正相关性,随着受体浓度增加荧光共振能量转移的效率升高。理论分析表明,二者之间的能量传递机制是F(O)STER机制。
[博士论文] 朱钟湖
物理学;量子光学 东南大学 2017(学位年度)
摘要:量子相干介质中的电磁诱导透明效应可以改变介质的线性和非线性偏振率,使介质的光学特性发生显著改变,具体表现为:其一,介质的线性吸收减少,色散增强;其二,原子与光量子态之间的转化易于相干调控;其三,原子介质的非线性效应显著增强。由于这些非线性光学特性,过去几十年里,与电磁诱导透明相关的诸多量子光学现象受到了人们的普遍重视,并得到了广泛的研究,其中包括高阶非线性增强,无反转激光,光学双稳态与多稳态,多波混频,高精度原子局域化以及光群速减慢等。对这些光学现象进行深入研究不仅有助于理解和掌握量子理论的本质,而且对进一步预言和发现其新的潜在的应用也大有好处。
  在本论文中,我们主要实现了在电磁诱导相干介质中对光学双稳态和多稳态的调控,并且利用可控的原子能级布居和光学吸收测量获得了高精度高分辨率的二维和三维原子局域,主要研究工作包括以下几个方面:
  1)利用单向环形腔在一个由椭圆偏振控制光和线性偏振探测光驱动的Y型四能级原子系统中实现了光学双稳态和多稳态。考虑电偶极矩和旋转波近似,利用密度矩阵方程推导出光场的输入-输出关系,结果表明光学双稳态的阈值及其磁滞的区域可以通过探测场的频率失谐量,椭圆偏振场的强度,原子合作参数等系统参数进行有效的调控。此外,我们还探讨了在有自发产生相干效应存在的情况下,椭圆偏振场两偏振部分之间的相对相位对光学双稳态和多稳态行为的影响。研究结果为在原子系统利用椭圆偏振光实现全光开关提供了理论指导。
  2)在微波驱动的超倒Y型五能级原子系统中,利用测量相位敏感的吸收增益谱的方法研究了亚波长区域内的二维原子局域。由于依赖空间位置的驻波场与原子的相互作用,通过测量探测场的吸收增益谱可以直接获取原子的位置信息,从而实现原子局域。在稳态解情况下,数值结果表明,当两个相互垂直驻波场用来耦合同一原子能级跃迁时,通过适当地调节系统参数可以将原子局域到一个特定的位置,并得到不同结构的二维局域峰,如格子状的,火山口状的,长钉状的等。同时,原子局域的精度和空间分辨率极大地依赖于探测场频率失谐量,两控制场强度与驱动场的相对相位。另外,选取合适系统参数,在驻波场的一个周期内在一特定位置找到原子的最大概率可以达到100%,这样在真正意义上实现了高精度和高分辨率的二维原子局域。更加有趣的是,由驻波场,两行波场和微波驱动场所引起的联合量子干涉效应提高了二维原子局域的精度和空间分辨率,这在光学通讯,新型光电子器件的制作和原子纳米光刻技术等方面具有潜在的应用价值。
  3)基于远场空间干涉效应,我们在一个双二能级原子系统中提出了实现高精度和高分辨率的三维原子局域的方案。利用三个相互垂直驻波场耦合原子能级跃迁,通过探测激发态布居,我们实现了具有相移依赖性的三维原子局域。研究表明对三维原子局域精度的调控可以通过调节探测场频率失谐量和驻波场相移来实现。更加重要的是,通过定义远场空间干涉图样的能见度,我们在三维原子局域和远场空间干涉效应之间建立起了关联。我们发现增强远场空间干涉的强度可以提高三维原子局域的精度。
  接着,用类似的方法,分别在梯型三能级和V型三能级原子中研究了三维原子局域的行为。基于原子系统自身的特点和量子干涉效应,通过调节系统参数,原子位置的条件几率分布在八个子空间不再相同,可以使在某些子空间探测到原子的几率增大。值得指出的是,在一立方光波长空间内探测到原子的最大几率可以提高八倍。此外,我们还讨论了自发产生相干效应对三维原子局域的影响。
  总之,本论文的研究加深了人们对电磁诱导相干介质中非线性光学特性的认识和理解,有助于进一步实现量子相干调控。这些研究对精密非线性光谱学,光电子学,量子信息和量子相干调控等学科和领域的发展具有一定的参考价值。
[硕士论文] 付永栋
物理学 曲阜师范大学 2017(学位年度)
摘要:随着激光应用技术的高速发展,对偏光分束棱镜技术参数的要求越来越多样化和具体化。为了能够更加全面和精确的分析偏光分束棱镜分束角的性能参数,为实际的应用需要提供理论和实验参考,本文以冰洲石晶体制作的偏光分束棱镜为主,对微角分束偏光棱镜和Wollaston棱镜分束角性能参数进行了理论分析和实验验证。对微角分束偏光棱镜的分束角大小、透射比和光强分束比进行了理论分析,其次对三种设计型式的Wollaston棱镜分束角大小随入射角的改变以及分束角对称性的变化规律展开理论分析,并进行比较,总结出分束角对称性好的棱镜设计型式,最后制作棱镜,测试棱镜分束角性能参数,并与理论结果对照。
  本研究主要内容包括:⑴研究了微角分束偏光棱镜分束角的性能参数。理论分析和计算了在光垂直入射时,分束角大小、透射比和光强分束比随工作波长的变化规律;在主截面内光以一定入射角入射时,棱镜的分束角大小、透射比和光强分束比的变化规律。采用坐标变换和光线追迹的方法,分析和总结了光在非主截面斜入射或锥光光束入射时方位角对微角分束偏光棱镜分束角影响的规律。⑵研究了三种不同设计型式的Wollaston棱镜分束角性能参数,主要分析了入射角大小对分束角对称性的影响,并针对同一分束角的条件,对三种不同设计型式Wollaston棱镜分束角的对称性进行了比较研究,总结出在入射角改变时,分束角对称性好的棱镜设计型式。⑶分别制作了微角分束偏光棱镜和Wollaston棱镜,设计了实验,对微角分束棱镜的分束角和光强分束比,三种不同设计型式Wollaston棱镜分束角的对称性进行了实验测试,并与理论值进行了比较。⑷微角分束偏光棱镜在一定结构角下,其分束角随工作波长由短变长而变小;光强分束比随工作波长变长而变大;在特定的工作波长下,入射角由-20o-20o改变时,分束角逐渐变大;而光强分束比先变大后变小,在负角度入射时更接近于1。对三种不同型式的Wollaston棱镜,在入射光正入射的应用中,Ⅱ型Wollaston棱镜分束角的对称性较好;当光以一定角度入射时,要根据入射角度的具体值,从中选择对称性好的棱镜设计型式。
[硕士论文] 杨群
理论物理 四川师范大学 2017(学位年度)
摘要:光力学系统(Optomechanical systems,简称OMS)是由固定的全反射镜和可移动反射镜组成,其中可移动反射镜通过辐射压力与光学腔场相互耦合。目前光力学系统在物理学中的不同研究方向都有着潜在的应用价值,例如纳米力学振子制冷、宏观力学振子和腔场之间的纠缠、光力学诱导透明(Optomechanically induced transparency,简称OMIT)、量子非线性问题等。本文主要研究了双模光力学系统中双重光力学诱导透明和放大的调制,以及利用左右代数动力学方法计算光力学系统含时的解析解。具体研究工作包括:
  1、笔者考虑探测光在具有力学耦合的光力系统中的光力学诱导透明,该系统中两个耦合的纳米力学振子分别被与时间相关的外力驱动。研究发现:振子之间力学相互作用可以将通常的单模光力学系统的透明窗口分成两部分,然后导致双重光力学诱导透明的出现。两个透明点位置之间的距离(最大透明度的频率)由力学相互作用幅度确定。这可以通过光力学缀饰模式的图像来解释,其类似于相干原子中相互作用的暗态共振。另外,双透明光谱中的两个最大透明幅度将随力学振子上的驱动外力增加而改变:通过改变耦合力学振子上的驱动外力,会使右边的最大透明增强,并产生光放大;但是,该驱动外力抑制双透明窗口中的左边最大透明。最后,研究发现双重光力学诱导透明或放大将会随着驱动力的初始相位的改变呈周期为2π的振荡。这些研究将有助于更灵活地控制基于光力学系统的多通道光通信。
  2、笔者采用左右代数动力学方法计算光力学系统约化密度算符方程,从而求得了系统含时的解析解,并得到了系统光子数的解析式。该方法不仅能够比较全面考察环境对系统的影响,同时可以很方便求解含时或者不含时系统的解。
[硕士论文] 赖登高
光学 四川师范大学 2017(学位年度)
摘要:光力学系统(Optomechanical system,OMS)描述的是可移动镜子和腔场通过辐射压互相耦合形成的系统。目前光力学系统被发现有许多潜在的运用,例如振子与腔场的纠缠、力学振子制冷、宏观量子叠加态、光力学诱导透明(Optomechanically induced transparency,OMIT)和压缩特性等。本文主要研究的系统是二次耦合光力学系统。笔者提出了用参量驱动力学振子调控单个二次耦合光力学腔的OMIT,以及讨论了在共同环境中二次耦合光力学腔的OMIT性质,并研究有限带宽的压缩场光场在二次耦合光力学腔中传播特性。本文具体研究如下:
  1、首先,本文提出用参量驱动作用到纳米振子,进而调控二次耦合光力学系统的探测光吸收性质。研究发现通过调谐参量驱动,双声子OMIT会增强以及将会出现完全透明。同时,在透明增强过程中,探测场的透明位置不会发生改变。这就克服了一般情况下,二次耦合光力学系统透明位置发生频移的问题。另外,参量驱动增大时,探测光可以被放大。这提供了基于光力学系统平台来实现力学参量放大的光学证据。在放大区域,通过增强力学参量驱动的振幅和减小耦合光场的功率,可实现光放大的增强。这些研究将有助于二次光力学系统的量子压缩或制造低功率高增益放大器。
  2、然后,本文还考虑有限带宽压缩光场在二次耦合光力学系统中的诱导透明。研究表明,当增加耦合光场的功率时,压缩光场的OMIT窗口将会变得更深和更宽,并且透明位置将会向高频端移动。另外,笔者发现通过提升压缩参量,腔内光子数将会增加从而改善了OMIT。除此之外,笔者还发现压缩光场的带宽和环境温度也将明显改善二次耦合光力学系统的OMIT。该发现将有助于振动薄膜的制冷。
  3、最后,本文探究在共同热浴中,双腔二次耦合光力学系统中探测光的诱导透明。笔者发现探测光透明性能将随着作用到左腔的耦合光场(左耦合光场)的增强而得到改善,但是透明位置将随着左耦合场的增强而移向高频部分。然而作用到右耦合腔的耦合光场,将使透明位置移向低频部分,因此,通过调节左右耦合光场的功率可固定透射位置。通过解析分析出其透明位置由左右耦合光场的强度差决定。另外,笔者还发现当把左右耦合的光学腔放在同一个热浴中时,由于共同热浴中产生的交叉衰变项将明显地改善透明程度和拓宽透明窗口。最后,笔者还发现环境温度将改善透明性能。这将有助于振动薄膜的制冷,输出光场的压缩和纠缠的研究。
[硕士论文] 龚霞
理论物理 四川师范大学 2017(学位年度)
摘要:左手介质与常规介质不同,它为物理学发展开创了一片新的领域。当电磁波通过左手介质时,会出现很多奇异的现象,如负折射效应、逆Doppler效应等。近年来,左手介质在光学、材料科学、电磁学等领域引起了诸多关注。因此,研究光束通过左手材料(LHM)的传输特性具有重要意义。
  本学位论文主要对复宗量双曲余弦平方-高斯光束(EchSGB)和双曲正弦平方-高斯光束(ShSGB)通过平板LHM的传输特性进行研究。基于广义惠更斯-菲涅尔衍射积分推导出EchSGB和ShSGB在自由空间、平板LHM内部和通过平板LHM后的三维光强传输公式,采用二阶矩定义推导了EchSGB和ShSGB的光斑尺寸、束腰宽度、束腰位置、M2因子的解析表达式,并对其进行数值计算和分析。研究表明:
  1.EchSGB的束腰宽度只受与复宗量双曲余弦平方因子相关的参数a、b影响,光斑尺寸、束腰位置以及M2因子还会受到LHM负折射率nL的影响,材料的负折射率改变光束分布的位置,参数a、b改变光束的形状和大小。当计算取特殊值时,LHM能使EchSGB重现。因此,实际运用中,可以选取较小参数值的EchSGB通过较大负折射率的LHM,获取质量更好的光束,同时还可通过改变光束参数a、b以及LHM负折射率n,的大小在不同位置对该光束整形。
  2.LHM对ShSGB轴上光强和横向光强分布规律的影响是使光强呈对称分布;材料的负折射率会影响光束轴上光强极大值的位置,轴上光强和横向光强的分布均随传输距离和参数α的变化而变化,α是与双曲正弦平方因子相关的参数;束腰宽度只与参数α有关,轴上光强、横向光强、光斑尺寸、束腰位置、M2因子还会受LHM影响;较小的参数α值和较大的负折射率绝对值都使得M2因子的值变小,即光束质量更好。此外,还可通过改变光束参数α以及LHM负折射率nL的大小在不同位置对ShSGB整形。
[硕士论文] 高姣林
机械制造及其自动化 兰州理工大学 2017(学位年度)
摘要:与球面光学元件比较,非球面能在简化系统外形、降低系统成本的同时使系统轻质化,且能很好地校正光传递过程中产生的像差。本文针对非球面校正球差时产生新的像差问题,致力于球面透镜的像差特性分析与理论校正研究。引入了一种同时消除像散、场曲和球差的优化设计方法,研究了单个非球面透镜优化设计前后系统的各像差及整体成像质量的变化规律,优化了透镜系统整体的成像质量。本文主要研究内容和结果如下:
  (1)基于像差理论分析了各像差包括正弦差、球差、色差、彗差、像散与场曲以及畸变等的产生机理及校正方法。通过研究光学成像原理,发现了球差存在的根本原因是由透镜的球面折射使平行光束不能聚焦于一点所致,并基于像差理论提出利用非球面来校正球差的设计思想;
  (2)通过对球面透镜系统初始结构的分析,引入一种同时校正像散、场曲和球差的非球面光学系统像差校正理论,解决了以往设计中因非球面校正球差时引入新的像差而对系统整体像质产生影响的问题;
  (3)实现了完整非球面消球差透镜系统的优化设计,在此基础上对多种适应光学系统像质评价方法包括分辨率、点列图、瑞利判断、斯托列尔(中心点亮度)判断以及光学传递函数等进行了研究,并根据系统结构构建了本透镜系统的像质评价标准;
  (4)评定了系统优化前后的像质,并对单个非球面透镜优化设计前后系统的各像差及整体成像质量的变化规律进行研究,经仿真对比分析球面透镜和非球面透镜点列图、MTF曲线、场曲和畸变以及赛德尔系数图,发现非球面优化后系统的像散、场曲及球差大幅减小。经验证所得非球面透镜系统结构简单、成像质量优良,满足技术要求。
  本文提出的方法能够在像散、场曲较小的情况下,消除球面透镜系统存在的球差,所提方法切实可行,可为进一步实现复杂的光学系统设计提供理论技术支撑。
[硕士论文] 严凯
光学工程 苏州科技学院;苏州科技大学 2017(学位年度)
摘要:本文主要以Boson光场环境中两能级系统为研究对象,重点讨论了不同类型的结构化光场环境和系统纠缠对量子退相干过程中相位参数估计精度的影响,从而为开放系统中的量子精密测量提供理论基础。本文的研究工作主要包括以下三个方面:
  首先,我们导出两能级系统的量子Fisher信息的几何表示,它表达式适用于任意混合态。我们发现Bloch矢量导数的模平方可以表示相位参数估计的量子Fisher信息,从几何角度上定量描述参数估计精度。利用这一结论,我们进一步研究了Jaynes-Cummings原子-光场模型,利用含时量子主方程分析了量子Fisher信息的动力学演化。对于退振幅阻尼情形,我们发现Lorentzian频谱光场环境的频率失谐量会对量子Fisher信息的衰减产生影响。当系统与环境之间存在强耦合时,失谐量会明显抑制量子Fisher信息的衰减。在弱耦合条件下,虽然失谐也会减缓量子Fisher信息的衰减速率,但是这种抑制效果并不显著。对于退相位阻尼情形,我们发现Ohmic-like频谱环境的类欧姆系数s会对量子Fisher信息产生影响。当环境是次欧姆谱(s<1)时,如果s越大,那么量子Fisher信息衰减越慢,而且总是单调减少的。对于超欧姆谱环境(s>1),量子Fisher信息的数值会出现振荡现象。
  然后,本文考虑了多个纠缠的开放原子系统,每个原子与各自的独立光场环境存在相互作用。在驱动场的影响下,我们讨论了量子参数估计精度的动力学演化。我们用超算符映射方式得到了纠缠态的量子Fisher信息动力学。在一些特征时间内,纠缠态的参数估计精度要优于标准量子极限。在给定时间内,如果我们采用最优化的纠缠原子数目,参数估计精度可以提升至最大值。但是,纠缠原子的数目反而会加速量子Fisher信息的衰减。当原子与玻色场的耦合形式是类欧姆频谱函数时,如果增大频谱的幂指数s,那么我们可以在一定程度上抑制量子纠缠态的Fisher信息量的衰减。当频谱环境为洛伦兹谱时,我们发现耦合强度和失谐量也会对量子Fisher信息产生影响。
  最后,本文给出了广义局域测量对噪声通道中参数估计精度的影响。我们发现:在退相位通道中,广义局域测量可以抵消初态极化角参数的影响;在退振幅通道中,它可以完全消除环境参数的影响;在退极化通道中,局域测量也可以部分消除极化角参数的影响。总之,利用广义局域测量可以保护噪声通道中参数估计精度。
[博士论文] 王声翔
核科学与技术 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:在过去的一个多世纪,利用物质吸收信息的X射线成像方法在医学诊断、材料科学、信息科学、生命科学以及各种工业领域中发挥着重要的作用。随着科学技术的更新,如今X射线成像研究在吸收衬度成像基础上,开展了很多基于相位衬度的成像理论和实验方法学研究。自上世纪九十年代,这一研究开始被报道以来,一直受到众多科研工作者的关注,特别是当X射线与物质相互作用时,低原子序数组成的轻元素样品发生的相位变化是吸收变化的几千到几万倍。这无疑在生物成像和医学诊断领域中有着重要的研究意义。
  在众多X射线相位衬度成像技术中取得巨大发展的技术主要有两种,分别是基于同步辐射光源的透射X射线泽尼克相衬成像和使用实验室光源的X射线光栅相位衬度成像。本文正是利用这两种成像技术开展了生物成像的理论研究和相关实验方法学的探索,根据X射线相位衬度成像系统的具体性质开拓生物学成像应用,主要包括完整细胞样品的纳米分辨三维结构成像和水果样品无损检测。
  细胞是生命活动的基本单位,对于完整细胞的纳米分辨三维成像的研究是目前细胞生物学领域中一项重要的课题。以花粉细胞成像为例,目前使用较多的可见光显微镜受限于空间分辨率难以观察亚细胞结构,而电子显微镜虽具有很高的空间分辨能力却难以穿透完整花粉细胞获得三维结构信息。本文阐述的X射线显微技术,无需机械切片,并以很高的空间分辨能力进行完整花粉细胞进行三维成像。在获取不同亚细胞器三维结构和分布情况时,具有快速的统计各细胞器的体积含量等优势。本文基于系统分辨力为30nm的北京同步辐射透射硬X射线泽尼克相衬显微镜,选取水稻花粉作为研究对象,开展X射线相位衬度成像理论和细胞三维成像实验方法学研究。
  合肥国家同步辐射实验室搭建了自主设计的X射线光栅相位衬度成像系统,并对这一系统从搭建到测试,从成像理论到实验验证开展一系列研究工作。不同于普遍开展的动物实验研究,本文依托X射线光栅相位衬度成像平台开展了水果无损检测应用实验研究,通过一次成像,同时获得水果的吸收、相位和散射三种不同的信息。三种信息互为补充,从不同角度反映了样品的内部结构信息,实现对样品的完整表征。通过对比三种信息图像和已有的动物组织成像研究,论证了X射线光栅干涉仪成像在水果无损检测,乃至食品无损检测上巨大的应用价值。
  本论文的工作和创新主要如下:
  1.提出了一种快速分离样品相移信息分离新方法。
  本文先对X射线相位衬度成像技术从信息分离方法和实验技术方面进行了详细的研究和分析。并参照微分干涉仪成像原理,提出一种使用双频光栅用于透射显微镜的相移信息分离新方法。
  2.发展了透射X射线泽尼克相衬显微实验方法学。
  本文通过借鉴电子显微镜样品处理和软X射线细胞成像方法,探索了适合硬X射线泽尼克相衬细胞显微成像的方法,并在北京同步辐射装置硬X射线泽尼克相衬显微镜上首次完成35微米大小真核细胞纳米分辨三维成像。
  3.研究了花粉细胞纳米分辨三维细胞器含量和分布情况。
  利用三维重构片层准确的将水稻花粉的细胞壁、萌发孔、细胞核、液泡、油滴和线粒体等重要的亚细胞结构区分出来。统计并计算了花粉各细胞器的体积含量和相对表面积百分比,其中油滴所占细胞体积百分比最高,达9.98%。液泡和细胞核各占总体积的3.54%和2.25%,线粒体所占体积约2.37%。从实验结果上为后续硬X射线细胞三维成像摸索出一条有效的实验技术。
  4.开拓了X射线光栅相位衬度成像的水果无损检测应用。
  大量的科学研究渴望利用X射线光栅相位衬度成像在医学诊断中做出重大突破,然而由于目前X射线光栅相位衬度成像对人体造成的辐射损伤超出可接受范围,使得这一应用处于瓶颈之中。本文对圣女果和梅干开展实验研究。通过对不同品种和状态水果开展成像实验,证实了X射线光栅干涉仪对各组织密度差异较小的水果样品成像有明显的优势。
[硕士论文] 侯宇蒙
光学 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,纳米材料的特殊性能受到了国内外的广泛关注,尤其是金属纳米材料的空间维度与尺寸变化对其电学和光学性能的影响更是当下的研究热点。金属纳米材料的周期性阵列结构可以应用在诸如液晶显示、偏振分束器和亚波长光栅等许多领域,对光电子器件行业的发展起到了举足轻重的作用。如今制备金属纳米材料阵列结构的手段非常多,如化学沉积和化学刻蚀制备法,但制约这些方法的因素有很多,比如试剂浓度、反应温度和沉积时间等,这些因素导致其可控性差,表面颗粒分布不均匀、结构不可控,最终对沉积膜的表面形貌造成很大的影响。还有如平板印刷制备法,该方法能够制备出具有周期性结构的金属纳米阵列,也能控制阵列表面形貌,而且能够控制纳米颗粒的大小、形状及间距等参数,但其成本高、工艺复杂,并且使用不便。
  引入了激光光学定向组装系统,利用该系统制备的金属纳米颗粒阵列特点是结构极化排布,颗粒间隙小、分布均匀且取向一致,与光学玻璃正四棱台上表面连接稳固,更好地确保了结构的鲁棒性。该系统制备的银纳米颗粒线阵列具有亚波长金属光栅的特点,如偏振特性和散射特性。而且结构尺寸合适,也可以对液晶分子进行取向,所以可以将我们的结构与液晶结合,组装成具有金属纳米颗粒阵列的液晶盒。
  本论文研究工作的目的为:
  利用激光光学定向组装系统制备形貌和结构良好的银纳米颗粒线阵列,并分析其诸如偏光与散射特性的机理,然后以该阵列作为液晶盒的一侧基板制备液晶盒并研究其光学特性。
  本文主要研究方法如下:
  1.从理论上详细剖析利用倏逝驻波场制备银纳米颗粒线阵列方案的可实施性。首先引入了倏逝驻波场的概念并介绍了其形成机理;然后通过公式推导和仿真计算得出银纳米颗粒在倏逝驻波场中的极化情况及其所受光场力的大小和分布;接着分别对银纳米颗粒胶体溶液的热力学和动力学稳定性进行分析;最后分析了银纳米颗粒在倏逝驻波场中除光场力外的其他受力情况。最终得出可以利用倏逝驻波场来制备银纳米颗粒线阵列的结论;
  2.依据理论分析得出实验方案,再搭建了激光光学定向组装系统并制备出了银纳米颗粒线阵列,并利用SEM对阵列进行表征,然后利用光谱仪对银纳米颗粒线阵列进行了偏光反射与散射测试,最后对其中的物理机制进行了解释;
  3.研究了具有金属纳米颗粒阵列的液晶盒的光学特性。成功地利用激光光学定向组装系统在镀有ITO薄膜的光学玻璃正四棱台上表面制备出银纳米颗粒线阵列,接着以该银纳米颗粒线阵列为液晶盒的一侧基板装配具有银纳米颗粒线阵列的液晶盒,然后利用偏光显微镜对该液晶盒的旋转偏光特性进行了观察和研究,最后从理论上分析该特性的物理机制。
[硕士论文] 孙瑜
光学 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:高功率激光系统的发展是现在激光技术应用的主流方向,由于光学元件损伤限制了高功率系统如ICF激光驱动器的研发,怎么最大程度减弱激光辐照造成器件表面损伤是现在需要解决的问题。强激光诱导熔石英光学元件因其良好的物理特性和抗损伤能力,在经济成本制约和科技进步的不断努力中,正在其发展历程中不断解决一个又一个技术问题。现在主要的修复光学材料表面损伤和损伤再生长的技术中,CO2激光辐照材料表面技术被广泛地采用。本篇文章主要是针对这一技术开展了一系列地理论分析和数值计算,建立和分析了其热力学理论模型,以热吸收作为研究起始,通过实验和仿真进一步对激光辐照中熔石英元件的温度分布、残余应力的特点和熔融流动的实时进程进行对比研讨,将运用广泛的光学材料表面损伤在物理层面建立模型,然后观察各种激光参数对高斯坑的熔融修复形貌的大小影响的分析,主要的研究内容和结果如下:
  1、模拟熔融二氧化硅元件由不同的激光高斯圆光斑照射的温度分布和变化过程。当激光照射损伤的熔石英元件的表面时,光学元件表面的中心温度较高,然后周围材料的温度成依次递减趋势,沿着水平面方向从激光照射损伤坑的中心起温度梯度较小,垂直于元件表面指向元件内部的温度梯度较大。激光辐照光学元件表面温度升高和降低表现为前期变化迅速,等到后期则变化缓慢,同时材料的光斑边缘周围表面温度梯度很大。
  2、在本文中,通过热传导和熔体流动的耦合对CO2激光照射下光学元件表面的二维熔体流动建模。通过理论与实验的结合,描述了熔融石英材料表面损伤的重建形态特征。分析了三种驱动力对熔体流动过程的作用。发现熔融二氧化硅元件的表面张力是流动的主要推动力,在其的影响下,光学元件表面材料的流动明显变化。损伤坑附近环形凸起的特殊形态与结论一致。
  3、建立了带凸起的损伤坑的模型。在仿真实验中,我们采用的是二维熔体流动模型来模拟激光修复损伤的过程。经过仿真我们可以得出结论,对损伤坑运用单点修复后,在元件表面的高斯坑区域观察环形凸起的修复后遗迹。然而原始损伤尺寸越大,修复光学元件表面的难度越高。
  4、研究激光功率、辐照时间和激光光束半径对激光照射期间熔融流动的作用。通过观察由实验数据绘制的二维图可以发现,无论何种类型的损伤,修复结束后形成的表面形貌都很相似。此外,损伤坑比较深的区域修复难度也相对较大,因为在目前的计算条件和模型难以使损伤达到理想修复效果,即修复后形成周围带凸起的高斯坑,从而达不到预期的修复效果。总体来说提高激光装置的输出稳定性、增大光束的半径以及合理的控制辐照时间可以使修复后的表面更光滑。
  5、分析激光器发射的脉冲激光参数对修复光学元件表面尺寸的影响。实验数据表明在CO2激光修复时,高斯坑普遍出现在蒸发和熔融区,激光输出功率、照射长短、斑点尺寸对修复尺寸的作用更为显著,特别是对光学元件表面损伤坑高度的修复比较大,而激光光束脉冲频率和占空比对修复大小的作用相对来说较低。并且激光器的激光光束频率的加大,观察到蒸发尺寸开始降低,但熔化尺寸不改变,这样就制约了蒸发,使光学元件表面平滑。
[硕士论文] 李正锋
电子与通信工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:太赫兹辐射通常是指频率大小在0.1THz—10THz(1THz=1012Hz)范围内的电磁辐射,其在电磁波谱中的位置介于微波频段和远红外波频段之间。太赫兹信号的探测技术以及光谱技术都是THz科学技术领域的重要研究方向。为探测微弱THz信号和进行太赫兹光谱分析,本文根据迈克尔逊干涉仪基本原理和傅里叶变换理论,在实验室已有的一套傅里叶变换光谱仪的基础上,对其进行软、硬件方面的改造,升级成了可用于探测微弱THz小信号和进行THz光谱分析的太赫兹傅里叶变换光谱系统(THz-FTS)。本系统结构简单,工作带宽较宽,系统的控制、数据采集和处理都实现了自动化操作,能够方便、快捷的进行数据采集工作,有广大的应用前景。
  本系统采用 Golay cell探测器配合锁相放大器的探测手段进行太赫兹信号探测,减小了信号传输过程中的背景热噪声,提升了系统检测微弱太赫兹信号的能力。利用LabVIEW软件开发环境,编写了控制系统、数据采集和数据处理等一系列的程序。通过硬件升级和软件重构,完成了系统整体的升级。对新系统进行了测试,采集到了干涉信号幅度随光程差变化的干涉图数据,并通过数据处理程序复原出了信号的频谱信息。采集到的干涉图与理论分析相符合,复原出了宽频太赫兹信号的光谱分布,证明了升级后的系统的正确性和可用性。
  通过实验改变系统中斩波器转速、动镜移动速度和采样间隔等参数,对比分析这些参数对系统性能的影响。通过减小信号强度的方法,实验对比了新系统和原始系统对微弱THz信号的检测能力。使用太赫兹傅里叶变换光谱系统探测了He-Ne激光中包含的太赫兹分量的光谱分布,证明了升级后的太赫兹傅里叶变换光谱系统相比原有系统各方面性能都得到提升。
[硕士论文] 郭文丽
电子与通信工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:强激光已被应用于新能源、新材料、国防等重要领域,其中超短脉冲激光与固体材料的相互作用研究已经成为非常前沿的热门领域之一。光致电离过程是强激光与固体材料相互作用的基本物理过程之一。目前国际上主要采用Keldysh解析模型对光致电离过程进行计算。虽然Keldysh模型取得了很大的成功(几乎所有强激光与固体材料文献中都采用它进行计算),但理论本身有其固有的局限性。而这局限性来源于推导过程中采用的近似,即鞍点法和初始小动量的假设。Keldysh解析模型要求参与光致电离的电子的初始动量很小,这个假设在光强不是特别强时,可以适用,但光强很强时,这个假设不能成立。另外,现有Keldysh解析模型中,并没有考虑布里渊边界对光致电离的影响(现有的研究发现,当光强很强时,布里渊边界会对跃迁产生很强的影响)。在本文中采用数值方法研究固体中的光致电离过程,克服了现有Keldysh解析模型的局限性。本文主要内容如下所示:
  (1)利用数值方法计算研究了ZnO材料的光致电离过程,并以此分析现有Keldysh解析模型的局限性和适用范围。在计算过程中,我们避免了Keldysh公式中的所采用的近似假设,并利用蒙特卡罗方法处理了布里渊空间的多重积分。我们的研究表明,当光强不是很强时(激光与固体材料的作用强度在多光子区域), Keldysh公式中的小准动量假设是一个很好的近似。但是当光强很强(激光与固体材料的作用强度进入到隧穿区域),小准动量假设并不合适,并造成数值方法和Keldysh解析公式在结果上的明显差异。
  (2)利用数值方法系统分析了材料参数(禁带宽度,电子有效质量,布里渊区大小等)对固体光致电离速率的影响规律。
  (3)将论文中的数值方法应用到:1)固体材料瞬态自由电子密度演化的计算;2)固体材料瞬态光学性质的计算;3)飞秒激光诱导固体材料损伤阈值的计算。计算表明:数值方法对Keldysh公式在激光脉宽较宽时修正较小(此时激光峰值功率密度较小),但当激光脉宽较短时(此时激光峰值功率密度很高)修正很明显。在计算熔石英和钡铝硼硅酸盐不同脉宽损伤阈值时发现:用Keldysh方法计算出来的损伤阈值在长脉宽时与实验值吻合较好,但在短脉宽区域与实验值有着明显的偏离。而所采用的数值方法在整个脉冲区域都与实验吻合的较好。
[硕士论文] 王晶静
光学 山西大学 2017(学位年度)
摘要:连续变量Cluster纠缠态是构建量子信息网络和执行单通道量子计算的关键性资源,可以广泛应用在量子信息通讯、量子计算以及量子测量等领域,进而不断促进量子信息科学技术的飞速发展。因此,如何获得连续变量Cluster纠缠态已经成为量子光学领域科学家研究的热点之一,现阶段已有一些基于频域和时域产生多组份纠缠的理论方案和实验研究,产生的多组份纠缠可用于实现波分复用技术和时分复用技术。
  本文我们以运行在阈值以下的大菲涅尔数(Large-Fresnel-number)简并光学参量振荡器(DOPO)和自成像的光学参量振荡器(OPO)作为研究的基础模型,利用两束拉盖尔高斯模泵浦光学腔,通过参量下转换过程产生基于空间模式梳的连续变量Cluster纠缠态。以场的哈密顿量和朗之万方程作为计算的起点,计算出各个场的稳态方程以及正交振幅和正交位相的量子起伏。在实验可行的参数机制下,给出纠缠度随泵浦参数、归一化分析频率等的变化关系,找到最大纠缠度对应的最佳参数,从而验证了连续变量空间Cluster纠缠态之间相互纠缠。这是一种从频率域扩展到空间域的理论方案,具有可操作性,产生的连续变量Cluster纠缠态可以用于实现空分复用技术,为未来实用性量子计算及大容量光纤的量子保密通讯工作奠定了坚实的基础。
  本文研究的主要工作如下:
  (1)利用两束相同频率和偏振的拉盖尔高斯模(lgp1,lgp-1)泵浦大菲涅尔数DOPO,产生基于光学空间模式梳的11组份拉盖尔高斯模的连续变量Cluster纠缠态,并且利用Cluster态的纠缠判据证明连续变量Cluster态之间确实存在纠缠。此方案中的大菲涅尔数DOPO可以使所有的下转换模同时并且持续的非线性相互作用和共振,在下转换过程中满足动量,能量和轨道角动量守恒。这种基于光学空间模式梳的连续变量Cluster纠缠态在基于测量的量子计算、量子信息过程和量子图像等方面都有重要的应用。
  (2)我们以自成像OPO作为理论模型,在腔内分别放置两块不同相位匹配zzz和yyy参量下转换的非线性晶体PPKTP,通过考虑模式的不同偏振使下转换模的数量增加一倍。利用两束同频率但不同偏振(z,y)的拉盖尔高斯模(lgplz,lgp-1y)泵浦OPO,通过参量下转换过程产生20个简并频率不同偏振的拉盖尔高斯模,经过50/50分束器耦合,形成基于空间模式梳的连续变量双轨(Dual-ail)Cluster纠缠态。此方案在实验上具有很强的操作性和可控性,为将来产生大尺度的空间Cluster纠缠态提供了理论基础和实验指导。
[硕士论文] 李鑫
光学 山西大学 2017(学位年度)
摘要:激光光谱学的发展为研究分子内部的振动和转动提供了可能,零动能光谱技术是近年来发展起来的一门测量离子振动和转动特性的高分辨率、高灵敏度的光谱技术。在实验室新建的零动能光谱实验系统上获得了对甲氧基苯甲腈的单色共振双光子电离光谱和对异丙基苯酚的质量分变阈值电离光谱。
  对甲氧基苯甲腈是一种重要的化学化工原料,我们在零动能光谱实验系统上首次获得了0-2400 cm-1范围内的单色共振双光子电离光谱,确定了对甲氧基苯甲腈只有一种稳定构型,其基态S0到激发态S1的0←0跃迁被确定为35549?2 cm-1。执行了密度泛函理论计算,并根据计算结果对其光谱进行了标识与描述,在800-2400 cm-1范围发现了许多呼吸振动与其它正则振动的结合振动。这些结果为研究对甲氧基苯甲腈的里德堡态、动力学和零动能光谱等提供了重要的参考数据。
  对异丙基苯酚是一种重要的农药、医药、化工中间体,我们在零动能光谱实验系统上首次获得了其单色共振双光子电离光谱和质量分辨阈值电离光谱,执行了相关理论计算,并根据计算结果对其光谱进行了标识与描述。确定了对异丙基苯酚有顺式和反式两种稳定构型,它们对应的基态 S0到激发态 S1的0←0跃迁能分别为35595±2 cm-1和35580±2 cm-1,对应的精确电离能分别为65354±5 cm-1和65330±5 cm-1。这些新的精确数据为深入研究对异丙基苯酚及其相关的基础科学研究和应用研究提供了重要参考资料。
[硕士论文] 曾炜卿
光学 山西大学 2017(学位年度)
摘要:量子通讯作为一种“无条件安全”的新型信息网络传输方式一直倍受瞩目。但是,以携带量子比特的光子在通道传输过程中,同时受到经典噪声和量子噪声的影响,这会引起量子比特的退相干效应,产生一定程度的误码率,导致信号丢失。为了实现量子信号长距离稳定传输,1998年,H.J.Briegel等人首先提出量子中继的理论方案,并在随后几年中,进行了进一步修改与发展。现今,该方案已经成为时下最前沿的研究热点。
  量子中继主要包括纠缠制备、量子存储、纠缠钝化和纠缠交换。其中,量子存储是纠缠产生的基础。冷原子系综由于具有集体激发非线性增强效应和较长的自旋波消相干时间,可以显著提高原子记忆的存储寿命。目前,基于冷原子介质的存储方案,国际上通常有两种办法:EIT动力学过程和Raman散射过程。
  由于原子中存在多个跃迁能级且在磁场下存在多个Zeeman子能级,因此,在相干光与多能级原子的相互作用过程中极容易出现相近跃迁能级产生的杂散光噪声,且会伴随着频率相近Stokes光子产生的同时,还产生了与之对应的磁敏感自旋波和磁不敏感自旋波。其中,我们需要消除不需要磁敏感跃迁能级的荧光对量子测量的影响。因此,噪声滤除对整个实验成败起到了重要作用。本论文基于多能级原子与相干光场作用机制,进行了多路量子存储及噪声滤除的实验研究,主要包含如下两个部分:
  一:介绍了EIT动力学过程和Raman散射过程。基于此,开展长寿命、高恢复效率、高保证度的量子存储和路由分发的实验研究。
  二:研究两种光学窄带滤波方案,用于抑制磁敏感波对量子存储测量的影响。
  (1)围绕着用于量子存储中噪声滤除的方案研究,先简要介绍F-P标准具基本原理等相关知识,着重分析了非平行F-P标准具对透射带宽和透射效率的影响。研制F-P标准具滤波器并对其性能进行了实验测量与分析。
  (2)为了弥补F-P标准具的一些固有缺陷,紧接着研制出不同种类的光学滤波腔;理论出计算激光与滤波腔模式匹配条件。同时,为了节省实验空间的需要,改造了滤波腔的结构,设计了四镜Z型腔和五镜折叠腔。
  以上工作为开展长寿命、高保真度的量子存储及为光学窄带滤波器的研制提供一定的理论与实验基础。
[硕士论文] 王蕾栋
凝聚态物理 太原理工大学 2017(学位年度)
摘要:典型的光力系统一般由一个法布里-珀罗(Fabry-Perot)式光学谐振腔构成,而Fabry-Perot是由两个腔镜组成,一个腔镜固定不动,而另一个腔镜是可以自由运动的(它可以看作是一个固有频率为m的纳米谐振子)。光力系统在理论和实验研究方面已经取得巨大的成就,其中有一些新颖和有趣的现象,例如:光学双稳态(Optical Bistability),光机械诱导透明(Optomechanically Induced Transparency),正常模式分裂(Normal Mode Splitting),慢光(Slow Light),暗态光机运动(Optomechanical Dark State)等现象已经接连地出现。这些现象能被光机械相互作用的线性性质做出合理的解释。然而,事实上由于线性腔光机械模型没有把光机械耦合固有的非线性特性考虑进去,结果在光力系统中,一些有趣的非线性现象可能被忽视。
  光力系统的非线性效应是近年来被提出并引起广泛关注的研究课题,人们期待它能够展现出丰富而非凡的性能。非线性光机械相互作用已经成为当今光力系统的一个新的重要研究领域并且在经典和量子机械装置中成为有趣的话题。在本论文中,主要研究含有量子阱的三模光力系统的非线性光学特性。通过求解系统所满足海森堡-朗之万运动方程(Heisenberg-Langevin equations)并利用光腔满足输入-输出关系,可以得到二阶边带效应以及慢光效应。全文由五章构成。
  在第一章(绪论)中,详细综述了光力系统的研究背景以及非线性光学领域研究现状,最后介绍本文研究内容和全文结构。
  在第二章中,介绍了几种典型的光力系统以及有关光力系统的一些理论知识。
  在第三章中,研究了含有量子阱的三模光力系统中的二阶边带效应。在这样的一个三模光力系统中,泵浦激光-激子失谐量,光-激子耦合强度以及泵浦功率对二阶边带效率都有着重大的影响。实验数据结果证明,由于存在量子阱二阶边带效率在该光力系统中发生极大地改变。如果光腔与量子阱之间的耦合越强,二阶边带效率就越大。通过调节泵浦激光-激子的失谐量,二阶边带效率能够被明显的改变,当调节的参量相同时,二阶上边带产生的现象与二阶下边带产生的现象类似,不同之处在于,二阶下边带产生的效率没有二阶上边带高。
  在第四章中,讨论了三模光力系统中的慢光效应。随着探测激光-泵浦激光失谐量δ的增大,探测透射光束的相位迅速增大。通过含有量子阱的三模混合光力系统的共振探测光束能够被极大地延迟,即经过该系统的共振探测光束会变慢。计算得到,经过该系统的共振探测光束最长可延迟约为8ms。研究表明,在这样的一个三模光力系统中,机械振子震荡的阻尼率,量子阱震荡的阻尼率,光-激子耦合强度,泵浦激光-激子失谐量以及泵浦功率对共振探测透射光束的最大群延迟时间都有着重大的影响。
  第五章对本文内容做出了总结,并对未来工作做了一些展望。
[硕士论文] 李荣
凝聚态物理 太原理工大学 2017(学位年度)
摘要:近年来水污染、食品安全、疾病健康等问题日益突出,严重威胁着人类的健康。传统检测方法存在仪器体积较大、价格昂贵、操作复杂等问题,因此发展一种低成本、高灵敏度的生化检测技术成为当前的研究热点之一。背向散射干涉(Back-scattering interferometry, BSI)技术具有免标记、所需样品量小、检测限低、灵敏度高等优点,有望应用于食品检测、环境监测、临床诊断以及生化分析等领域中。
  将激光入射到通有待测物质的毛细管内,光在毛细管内外界面多角度的反射和折射,在环绕管轴360°范围内产生了干涉条纹,人们将其形象地称为“背向散射干涉”。当管内液体的折射率改变时,干涉条纹花样不变,但相对于初始干涉条纹有一定移动,根据移动量与折射率变化间关系,可实现折射率变化、抗原-抗体等分子间作用的测量。本文在BSI技术基础上,结合温度控制和快速傅里叶变换,搭建了一套基于 BSI的高灵敏度定量分析与检测系统,并实现了微体积非吸光物质高灵敏度的定量检测;由于吸光物质吸收激光会产生光热效应,并引起溶液折射率的改变,因而该系统还可以用于微体积吸光物质的高灵敏定量检测。本文主要研究内容如下:
  1、采用温度控制系统和保温装置,实现了待测样品所处环境的温度的精确控制,使得检测过程中,样品不受周围环境温度波动的影响,实验过程中温度的波动仅有±0.007℃,提高了检测的分辨率和系统的稳定性,并通过LabVIEW实现了数据的实时采集和自动化处理。
  2、通过对不同浓度的甘油和不同温度超纯水的检测,验证了该检测系统对非吸光物质的高灵敏度定量检测性能。基于红墨水溶液中的光热效应,对不同浓度品红墨水的光热信号进行了测量,结果表明该检测系统可用于对吸光物质的定量检测。
  3、过量的亚硝酸盐对人体健康具有极大的危害,因此对亚硝酸盐的定量检测具有重要的意义。利用改进的格里斯重氮化反应,使得亚硝酸盐通过显色反应转变为紫红色偶氮化合物,该化合物吸收绿色激光会产生明显的光热效应。采用波长为532 nm的激光作为激发光源,利用该化合物溶液的光热效应和 BSI技术实现了亚硝酸盐浓度的定量检测;对自来水及加标自来水样中的亚硝酸盐进行了检测,并与紫外-可见光分光光度法的检测结果进行了对比,结果表明基于光热效应和 BSI技术可实现亚硝酸盐的高灵敏度定量检测,使用3σ方法得到检测限为0.05 mg/L。
[博士论文] 刘贝
光学 山西大学 2017(学位年度)
摘要:单光子源作为具有最大反群聚效应的非经典光场,在量子物理的基本问题、量子保密通信、量子计算等研究中具有重要的意义。同时单光子源还可以用于弱吸收测量、制备真随机数。通常实现单光子源的物理载体包括单原子,单分子,单离子,单量子点,单NV色心,自发参量下转换,以及基于原子系综的四波混频过程等。基于微型光学偶极阱中单原子操控的单光子源,因其具有窄带宽、可与同类原子系综吸收线匹配、不受外界环境因素影响等特点,在量子光学的基本问题及量子信息处理方面都具有重要价值。本论文以实现852nm单光子源并提高其不可区分度为目标,研究了基于微型光学偶极阱中单原子的高概率装载,高ON/OFF比脉冲激光系统,光脉冲共振激发过程中单原子俘获寿命的延长,单光子源的产生及不可区分度的提高等工作。
  本论文主要完成的工作如下:
  1).单原子高概率的装载。为了获得852nm单光子源,首先需要实验提供稳定的单原子源。实验中我们搭建了超高真空气室的大磁场梯度铯原子磁光阱,利用紫外光诱导的光致原子解吸附效应并实时反馈控制四极磁场梯度,实验中实现了磁光阱中少数原子乃至单原子的高概率装载;并对连续光激发情形下,磁光阱中俘获原子所辐射荧光的光子统计特性进行了研究。但是磁光阱中俘获原子的光场与原子跃迁线近共振,使得原子处于不断的吸收与自发辐射过程中,破坏了原子的内部自由度,因此需要将磁光阱中的原子转移到保守势的远失谐光学偶极阱中,完成量子态的制备和探测。实验中搭建了1064nm微尺度光学偶极阱,研究了磁光阱中单原子向偶极阱的高概率装载。结合蓝失谐激光诱导的光助碰撞和在紫外光导致的原子解吸附两种物理机制将微尺度光学偶极阱中单个铯原子的制备概率提高到了99%以上。
  2).852nm单光子源的实验实现。为了有效延长脉冲光共振激发过程中单原子在微尺度光阱中的俘获寿命,我们分析讨论了微尺度光阱的振荡频率及加热机制,采用优化的交替激发/冷却方案,在高重复率、纳秒级脉宽的共振光激发情形下,将单原子的俘获寿命从典型的约100微秒延长至约2500毫秒。结合优化的交替激发/冷却方案,基于微尺度光阱中单原子的操控,实现了重复率为10MHz的852nm波长触发式窄带单光子源。利用HBT实验装置对单光子源的二阶相干度进行了测量,零延时处g(2)(0)=0.09。根据实验需要,我们研究了采用波导型电光强度调制器产生高重复频率脉冲光时,影响脉冲ON/OFF比的主要因素和物理机制,通过精密控温并寻找优化的工作点,显著地改善了纳秒脉冲激光的ON/OFF比和功率稳定性。此外,针对进一步改善脉冲激光的ON/OFF比,并有效提高脉冲激光平均功率的需求,提出了纳秒脉冲光通过动态注入锁定放大的方案,并在实验中作了验证。脉冲动态注入锁定放大,不仅可以有效提高纳秒脉冲激光的平均功率,而且使得被动激光器的输出激光频率在与主激光频率共振和大失谐状态快速切换,显著改善了输出脉冲激光的ON/OFF比。
  3).单光子源不可区分度的提高。基于1064nm光学偶极阱中单原子操控的单光子源,由于偶极阱光导致原子能级的光频移,会影响单光子的不可区分度。为了消除光学偶极阱中原子跃迁频率空间位置依赖的空间非均匀频移,提高单光子源的不可区分度,实验中计算并搭建了魔数波长铯原子光学偶极阱,并实现了基于魔数波长光学偶极阱单原子操控的触发式单光子源。实验测量了铯原子6S1/2|F=4,mF=+4)→6P3/2|F'=5,mF=+5>跃迁对应的魔数波长值为937.7nm。实验中搭建了双光子干涉的实验装置,利用Hong-Ou-Mandel双光子干涉实验方案测量了单光子的不可区分度,相比较于1064nm光学偶极阱,937.7nm魔数波长光学偶极阱中单光子的不可区分度得到了改善。
[博士论文] 张岩
光学 山西大学 2017(学位年度)
摘要:对应于碱金属原子吸收线的非经典光在许多领域有着重要的应用,如量子存储、光与原子相互作用、原子系综之间的纠缠、光谱测量以及量子信息网络等实验研究。而量子信息网络由量子节点和量子传输通道构成,量子节点由原子或固态物质组成,其节点之间需通过非经典光场建立量子传输与纠缠通道,进行高保真度传输以及纠缠态的分发。因此碱金属原子与相应吸收线的非经典光场是量子信息网络中实现量子信息界面与传输的重要资源。
  目前实验中获得非经典光主要途径之一是通过光学参量振荡器中的光学参量过程,而利用这种方法制备波长对应碱金属原子吸收线非经典光的实验研究主要集中在铷原子D1线以及铯原子D2线。与铯原子D2线相比较,铯原子D1线有它自己的优势:它的超精细分裂能级之间的间隔较大,而且结构简单,在与原子相互作用时不易受周围能级影响;它的波长处于InAs量子点激子发射的频域,这就为基于原子与固态系统的相干界面的发展打下了基础。但是目前还没有制备这个波长正交压缩光的报道。本文介绍了我在博士期间的工作,主要是制备对应于铯原子D1线的正交压缩态光场的实验研究。
  本文主要由四部分组成:
  1.简单回顾了量子光学的发展历史,介绍了量子力学的五个基本假设以及压缩态的定义和分类。
  2.阐述了倍频的原理和准相位匹配技术,介绍了利用偏振光谱锁定半导体激光器的方法,对两种倍频腔的锁定方法做了比较。主要介绍了将半导体激光器和锥形放大器输出的894.6nm连续红外光利用外腔倍频制备447.3nm蓝光的实验研究。倍频腔是利用以PPKTP晶体作为非线性介质的驻波腔。获得蓝光的功率为178mW,相应的转化效率为50.8%。当半导体激光器在对应于铯原子D1吸收线的F=4→F'=3超精细跃迁能级连续调谐800MHz时,蓝光连续调谐了1.6GHz。
  3.建立了简并光学参量放大器的理论模型,讨论了其特点,作为实验的指导。实验中OPO由两镜驻波腔和PPKTP晶体组成,泵浦光是由钛宝石激光经过外腔倍频制备的447.3nm蓝光。将蓝光注入OPO,测得OPO的阈值为39mW,调节蓝光功率为30mW并搜索OPO腔长使得泵浦光共振,利用平衡零拍探测装置测量输出的压缩光,最终在分析频率为0.5MHz处测得2.8dB正交压缩。考虑到探测效率,实际输出光场的压缩度为4.4dB。
  4.由于采用两镜驻波OPO产生压缩光的压缩度仍然难以满足下一步需要,因此利用一块Ⅰ类PPKTP晶体搭建了半整体腔结构的OPO,并测得4.1dB真空压缩。当OPA运转在参量缩小状态时,获得的明亮压缩光可以连续调谐50MHz。制备的压缩光可以应用于量子信息网络的实验研究中。
  其中创新性的工作如下:
  Ⅰ.利用半导体激光作为光源进行倍频,成本较低,输出基频光功率较大。倍频腔为两镜驻波腔,相对四镜环形腔而言结构简单、内腔损耗较小,因此相应的倍频效率较高(50.8%),整个系统结构紧凑并且稳定性好(注入光功率为350mW时2小时内功率起伏为2.3%)。由于产生蓝光波长是可调谐的,则用它作为泵浦源通过参量下转换产生压缩光的波长也是可调谐的。
  Ⅱ.目前实验上主要有两种方法产生对应于碱金属原子吸收线的非经典光,一种方法是通过基于原子系综的四波混频过程,但由于在铯原子D1线处压缩度受能级分裂较大的限制,难以通过这种方法制备高压缩度光场。在实验中首次利用以PPKTP作为非线性晶体OPO中的参量下转换过程产生对应于铯原子D1线的真空压缩光,压缩度为2.8dB。
  Ⅲ.为了提高压缩度,利用半整体腔结构的OPO产生对应于铯原子D1线的压缩光,最终测得4.1dB真空压缩。当OPA运转在参量缩小状态时,产生连续可调谐的明亮压缩光,可以精确匹配铯原子吸收线。
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