一种携带轨道角动量的预报单光子产生系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种携带轨道角动量的预报单光子产生系统及方法，系统包括光学谐振腔、PPKTP非线性晶体、偏振分束器、法拉第旋光器、四分之一波片、涡旋半波片、分色镜、滤波片和单光子探测器，其中，所述光学谐振腔位于泵浦光之后，所述PPKTP非线性晶体、偏振分束器、法拉第旋光器、四分之一波片、涡旋半波片依次位于所述光学谐振腔内的光路上，所述分色镜位于所述偏振分束器反射端之后的光路上，所述滤波片和单光子探测器依次位于所述光学谐振腔射出的光束的光路上。本发明专利技术陈述的单光子纯度更高、线宽更窄。线宽更窄。线宽更窄。

【技术实现步骤摘要】
一种携带轨道角动量的预报单光子产生系统及方法


[0001]本专利技术涉及光量子信息技术，尤其涉及一种携带轨道角动量的预报单光子产生系统及方法。

技术介绍

[0002]窄线宽的预报单光子源可通过远低于阈值的单共振光学参量振荡器产生，其特点在于产生的窄线宽光子可应用于长距离量子通信、量子存储等领域。目前通过光学参量振荡器产生的窄线宽预报单光子空间模式均为高斯基模，不携带轨道角动量。随着调控光子空间模式的技术的进步，具有轨道角动量的光子被日益重视。轨道角动量作为光的一种空间模式属性，在光学操控、材料加工、量子信息等领域发挥着重要作用。由于拉盖尔高斯(LG)模式是一组完备的基底，携带轨道角动量的光子可通过LG模式来表示，其中LG模式中角动量量子数l和径向量子数p是描述光子空间模式的参数。在量子信息中，拥有高纯度LG模式的双光子其角向
‑
径向量子关联更强。目前调控光子轨道角动量的方案是使光子单次通过携带角向相位的光学器件，但此类方法调控后的光子LG模式并非单一的，随着角向量子数l的增加，调控后光子的各类高阶成分所占比例不断增加，导致相应的LG模式纯度下降，限制其在光量子通信中的应用。

技术实现思路

[0003]专利技术目的：本专利技术针对现有技术存在的问题，利用单共振谐振腔中的自发参量下转换过程，提供一种输出单光子线宽更窄、纯度更高的携带轨道角动量的预报单光子产生系统及方法。
[0004]技术方案：本专利技术所述的携带轨道角动量的预报单光子产生系统包括光学谐振腔、PPKTP非线性晶体、偏振分束器、法拉第旋光器、四分之一波片、涡旋半波片、分色镜、滤波片和单光子探测器，其中，所述光学谐振腔位于泵浦光之后，所述PPKTP非线性晶体、偏振分束器、法拉第旋光器、四分之一波片、涡旋半波片依次位于所述光学谐振腔内的光路上，所述分色镜位于所述偏振分束器反射端之后的光路上，所述滤波片和单光子探测器依次位于所述光学谐振腔射出的光束的光路上。
[0005]进一步的，所述光学谐振腔由位于光路前端的镀膜前腔镜和位于光路后端的镀膜后腔镜构成，所述镀膜前腔镜、镀膜后腔镜均为平凹镜，所述镀膜前腔镜、镀膜后腔镜的平面均镀有泵浦光增透膜和闲置光增透膜，凹面均镀有泵浦光增透膜和闲置光反射膜，且镀膜前腔镜凹面的闲置光反射膜的反射率大于镀膜后腔镜凹面的闲置光反射膜的反射率。
[0006]进一步的，所述PPKTP非线性晶体置于泵浦光的束腰位置，具体为具有周期极化结构的II型准相位匹配的PPKTP非线性晶体，其前后两个端面均镀有泵浦光增透膜和参量光增透膜，用于产生一对偏振正交的参量光，即闲置光与信号光。
[0007]进一步的，所述偏振分束器反射信号光、泵浦光，透射闲置光，其前后端面均镀有泵浦光和参量光增透膜。所述法拉第旋光器前后端面均镀有闲置光增透膜。所述四分之一
波片前后端面均镀有闲置光增透膜。所述分色镜反射泵浦光，透射信号光，所述分色镜前后端面均镀有信号光增透膜。
[0008]进一步的，所述涡旋半波片置于距离所述镀膜前腔镜2f的位置，用于使单光子发生拉盖尔高斯模式转换，产生轨道角动量量子数l＝1，2，
…
,k的光子，其前后端面均镀有闲置光增透膜，其中，f为所述镀膜前腔镜的等效焦距，k为整数。
[0009]进一步的，所述滤波片用于滤除残留的泵浦光。
[0010]本专利技术所述的携带轨道角动量的预报单光子产生方法包括：
[0011]步骤1：放置光学谐振腔；
[0012]步骤2：将泵浦脉冲光正入射光学谐振腔前端；
[0013]步骤3：将PPKTP非线性晶体放置所述光学谐振腔内，入射的泵浦光通过PPKTP非线性晶体发生自发参量下转换过程，产生偏振正交的参量光子对，即信号光子和闲置光子；
[0014]步骤3：在PPKTP非线性晶体后放置偏振分束器，偏振分束器将参量光子对中的竖直偏振的信号光子反射，将水平偏振的闲置光子透射；
[0015]步骤4：在偏振分束器后放置法拉第旋光器，法拉第旋光器将闲置光子偏振朝一个方向旋转45
°
且与光子传播方向无关，确保了闲置光在腔内往返一周后偏振状态得以复原；
[0016]步骤5：在法拉第旋光器后放置四分之一波片，四分之一波片将闲置光子偏振转变为左旋圆偏振；
[0017]步骤6：在四分之一波片后放置涡旋半波片，涡旋半波片将左旋圆偏振的闲置光子转变为右旋偏振光，且使闲置光子转变为拉盖尔高斯模式并携带轨道角动量；
[0018]步骤7：光学谐振腔后端将经涡旋半波片透射的闲置光子部分反射回光学谐振腔前端，形成稳定的腔模式；
[0019]步骤8：在偏振分束器反射端之后放置分色镜，分色镜将泵浦光反射，信号光透射；
[0020]步骤9：在光学谐振腔后放置滤波片，消除残留的泵浦光；
[0021]步骤10：在滤波片后放置单光子探测器，信号光触发的条件下，单光子探测器探测闲置光子，探测成功则得到预报闲置单光子。
[0022]有益效果：本专利技术与现有技术相比，其显著优点是：本专利技术通过光学谐振腔内实现拉盖尔高斯模式转换，可预报输出具有高纯度、窄线宽的单光子，光学谐振腔的巧妙构造满足了腔内模式的波前相位和偏振可逆条件，所设计谐振腔系统紧凑、稳定，相比于普通预报式单光子系统，能够实现不同轨道角动量的预报式单光子输出；同时对于腔内元件镀膜参数的有效选择及谐振腔腔模设计，使得输出预报轨道角动量单光子具有较窄的线宽和较高的纯度。谐振腔的自由光谱区为698.2MHz，线宽为12.03MHz，且LG光束纯度在98％以上。
附图说明
[0023]图1为本专利技术提供的携带轨道角动量的预报单光子产生系统一个实施例的结构图；
[0024]图2为谐振腔透射峰与腔内光子相位延迟的关系；
[0025]图3为闲置光子的二阶时间关联函数；
[0026]图4为的闲置光子的空间模式图。
具体实施方式
[0027]本实施例提供了一种携带轨道角动量的预报单光子产生系统的结构图，如图1所示，包括光学谐振腔1、PPKTP非线性晶体2、偏振分束器3、法拉第旋光器4、四分之一波片5、涡旋半波片6、分色镜7、滤波片8、单光子探测器9。光学谐振腔由镀膜前腔镜1
‑
1、镀膜后腔镜1
‑
2构成。镀膜的前、后腔镜均为平凹镜均为多层镀膜，平面和凹面均镀有泵浦光的增透膜，透射率大于99.5％；两个腔镜的平面均镀有闲置光的增透膜，透射率大于99.8％，凹面均镀有闲置光的反射膜，前腔镜1
‑
1凹面反射率大于99.9％，后腔镜1
‑
2凹面反射率为97％。
[0028]PPKTP非线性晶体2具体为具有周期极化结构的II型准相位匹配的PPKTP晶体，结构周期为8.8μm，位于前腔镜1
‑
1和后腔镜1
‑
2之间的光路上。泵浦光正入射前腔镜1
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1的平面，经过PPKTP非线性晶体2发生自发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种携带轨道角动量的预报单光子产生系统，其特征在于：包括光学谐振腔、PPKTP非线性晶体、偏振分束器、法拉第旋光器、四分之一波片、涡旋半波片、分色镜、滤波片和单光子探测器，其中，所述光学谐振腔位于泵浦光之后，所述PPKTP非线性晶体、偏振分束器、法拉第旋光器、四分之一波片、涡旋半波片依次位于所述光学谐振腔内的光路上，所述分色镜位于所述偏振分束器反射端之后的光路上，所述滤波片和单光子探测器依次位于所述光学谐振腔射出的光束的光路上。2.根据权利要求1所述的携带轨道角动量的预报单光子产生系统，其特征在于：所述光学谐振腔由位于光路前端的镀膜前腔镜和位于光路后端的镀膜后腔镜构成，所述镀膜前腔镜、镀膜后腔镜均为平凹镜，所述镀膜前腔镜、镀膜后腔镜的平面均镀有泵浦光增透膜和闲置光增透膜，凹面均镀有泵浦光增透膜和闲置光反射膜，且镀膜前腔镜凹面的闲置光反射膜的反射率大于镀膜后腔镜凹面的闲置光反射膜的反射率。3.根据权利要求1所述的携带轨道角动量的预报单光子产生系统，其特征在于：所述PPKTP非线性晶体置于泵浦光的束腰位置，具体为具有周期极化结构的II型准相位匹配的PPKTP非线性晶体，其前后两个端面均镀有泵浦光增透膜和参量光增透膜，用于产生一对偏振正交的参量光，即闲置光与信号光。4.根据权利要求1所述的携带轨道角动量的预报单光子产生系统，其特征在于：所述偏振分束器反射信号光、泵浦光，透射闲置光，其前后端面均镀有泵浦光和参量光增透膜。5.根据权利要求1所述的携带轨道角动量的预报单光子产生系统，其特征在于：所述法拉第旋光器前后端面均镀有闲置光增透膜。6.根据权利要求1所述的携带轨道角动量的预报单光子产生系统，其特征在于：所述四分之一波片前后端面均镀有闲置光增透膜。7.根据权利要求1所述的携带轨道角动量的预报单光子产生系统，其特征在于：所述涡旋半波片置于距离所述镀膜前腔镜2f的位置，用于使单光子发...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐钏，陈鹏程，张涵，张勇，蒙朝英，余谦，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：