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1、量子光学学报12(2):85~91,2006ActaSinicaQuantumOptica文章编号:10076654(2006)02008507y自发参量下转换机理及应用研究综述冯瑜,郑小兵,乔延利,李健军(中国科学院安徽光学精密机械研究所,安徽合肥230031)摘要:自发参量下转换(spontaneousparametricdownconversion,SPDC)光场是一种非经典光场,它是由单色泵浦光子流和量子真空噪声对非线性晶体的综合作用而产生的。基于量子理论解释了SPDC光场的产生机理,说明从经典理论如何理解S
2、PDC光场。较全面介绍了SPDC光场的非经典特性及在激光技术、遥感、量子通讯等领域的应用研究进展,展望了它应用研究的发展方向与前景。关键词:量子光学;非线性光学;非经典光场;自发参量下转换中图分类号:O431文献标识码:A0引言行波,如果极化行波在晶体中传播的速度与电磁波20世纪60年代,Louisell从理论上预言,一个光自由传播的速度一致,将引起累积增长。由Manley子在穿过介质时,会以很小但肯定不为0的概率分Rowe关系,每湮没一个高频光子,同时要产生两个裂为两个光子,这一过程满足能量守恒和动量守低频光子。频率
3、为p的泵浦光与频率为S的信号[1][2]恒。这一预言不久得到了实验证实。1970年光同时入射非线性晶体后,由于二阶非线性极化,在Burnham和Weinberg在光子计数实验中首先发现了晶体内产生一个频率为i的差频空闲光波(i=[3]SPDC光场。SPDC光场是由单色泵浦光子流和p-S)。空闲光又与泵浦光发生非线性耦合,辐射量子真空噪声对非中心对称非线性晶体的综合作用出S=p-i的信号光。由于泵浦光的强度远大[4]而产生的一种非经典场,每一个入射光子以一定于信号光和空闲光的强度,在满足相位匹配条件下,概率自发地分裂为
4、能量较低的两个光子。下转换光上述非线性混频过程持续进行,泵浦光的能量不断子具有时间、偏振、频率、自旋纠缠等特性,具有从泵耦合到信号光和空闲光中去。浦波频率到晶格共振频率的宽光谱分布。SPDC光场的产生原理类似于上述的参量混频SPDC光场在许多领域的应用研究一直被广泛开展,例如:利用其宽谱特性研制可调谐激光器;利过程,都是强光泵浦的非线性光学现象,但又有本质用其时空和偏振纠缠特性测量探测器量子效率和红区别。一般的参量混频需要有两束光入射非线性晶外辐射功率;以及利用SPDC双光子纠缠态开展的体,而SPDC过程中只有一束泵浦光作用在非线性量
5、子力学和量子信息领域的研究等。应用研究基于晶体上。SPDC过程(见图1)可以通过温度或角度对光场本性的全面了解,SPDC光场固有的量子起源调谐产生下转换光,且满足能量和动量守恒条件(即决定了只有从量子理论才能解释其产生机理。相位匹配条件):1SPDC光场的产生机理p=s+ikp=ks+ki(1)由非线性光学三波混频原理,当两束频率不同p、s、i分别为泵浦光和下转换光频率,kp、ks、ki的光入射到非线性晶体上,将产生频率不同的极化分别为泵浦光和下转换光波矢。y收稿日期:20050909基金项目:国家自然科学基金(6
6、0378027)作者简介:冯瑜(1977),男,辽宁抚顺人,中国科学院安徽光学精密机械研究所博士研究生,目前从事相关光子方法定标光辐射探测器量子效率的研究工作,Emai:lyfeng@aiofm.ac.cn。86量子光学学报12(2)2006dA^i=-[A^,H^](6)dt利用算符对易关系,可以求出:+da^1+iS=i1a^1-[exp(ipt)+exp(-ipt)]dt2+∀(a^2-a^2)(7)图1自发参量下转换示意图将S=0作为微扰近似,略去式中不满足相位匹
7、配Fig.1Sketchmapofspontaneousparametric的激励项,对t再求一次导数,解该微分方程。将方downconversioninnonlinearcrystal程的解乘以其共轭关系式,再利用对易关系可得:+a^1(t)a^1(t)因为它只有一束泵浦光作用在非线性晶体上,+2St=a^1(0)a^1(0)ch下转换光的起始光子数均为零,所以只有用量子理2[5]论才能解释它的产生机理。+[1+a^+2St2(0)a^2(0)]sh2SPDC过程中泵浦光为强光,可以对泵浦场作经i++典处理,而对下转换场作量子
8、化处理:+sh(St)[a^1(0)a^2(0)-a^1(0)a^2(0)](8)2Ep(r,t)=VpEp(r)cospt设t=0时,波场E1和E2所组成系统的状态波1/21+E1(r,t)=i[a^
