[发明专利]一种输出频谱可控的量子关联光子对产生装置和方法

权利要求书

1.一种输出频谱可控的量子关联光子对产生装置，由装置本体构成，其特征在于，装置本体包括脉冲激光器、滤波器、第一非线性介质、第二非线性介质和多通道滤波器；所述第一非线性介质与所述第二非线性介质之间设有一可控制量子关联光子对输出频谱的光学4F系统，所述光学4F系统包括：第一光栅、第一凸透镜、空间光调制器、第二凸透镜和第二光栅；所述第一光栅位于第一凸透镜的前焦点，空间光调制器位于第一凸透镜的后焦点，第二凸透镜的前焦点与第一凸透镜的后焦点重叠，第二光栅位于第二凸透镜的后焦点。

2.根据权利要求1所述的一种输出频谱可控的量子关联光子对产生装置，其特征在于，所述第一非线性介质和第二非线性介质为两段相同的块状或具有波导结构的二阶或三阶非线性介质。

3.根据权利要求1所述的一种输出频谱可控的量子关联光子对产生装置，其特征在于，所述第一光栅和第二光栅为两个相同的反射光栅或透射光栅；所述第一凸透镜和第二凸透镜为两个相同的球面凸透镜或柱面凸透镜。

4.一种输出频谱可控的量子关联光子对产生方法，其特征在于，采用的产生装置包括脉冲激光器、滤波器、第一非线性介质、第一光栅、第一凸透镜、空间光调制器、第二凸透镜、第二光栅、第二非线性介质和多通道滤波器；所述第一非线性与所述第二非线性介质之间设有一可控制量子关联光子对输出频谱的光学4F系统，所述光学4F系统包括：第一光栅、第一凸透镜、空间光调制器、第二凸透镜和第二光栅；第一光栅位于第一凸透镜的前焦点，空间光调制器位于第一凸透镜的后焦点，第二凸透镜的前焦点与第一凸透镜的后焦点重叠，第二光栅位于第二凸透镜的后焦点；其中：所述光学4F系统通过如下步骤实现量子关联光子对输出频谱的控制：

S1、所述脉冲激光器输出的脉冲激光经滤波器滤波后作为泵浦光输入第一非线性介质，第一非线性介质中的参量过程输出具有量子关联性的量子关联光子对，量子关联光子对中的光子可分别称为信号光子和闲频光子；

S2、所述第一光栅在空间将第一非线性介质输出的泵浦光和量子关联光子对进行空间散开再通过第一凸透镜后入射到空间光调制器的不同的位置；

S3、所述空间光调制器通过控制泵浦光和量子关联光子对所对应位置的像素的灰度，实现对泵浦光和量子关联光子对引入不同的相位延迟，并输出经过相位延迟控制的泵浦光、信号光子、闲频光子；

S4、所述第二凸透镜和第二光栅在空间将泵浦光、信号光子、闲频光子合为一束输入第二非线性介质，所述第二非线性介质中产生的量子关联光子对与第一非线性介质中产生的量子关联光子对在频谱强度分布上发生干涉，通过控制发生干涉的频谱，可实现对量子关联光子输出频谱的控制；

S5、所述多通道滤波器将经过干涉后的量子关联光子对中的信号光子和闲频光子分别进行滤波输出。

5.根据权利要求4所述一种输出频谱可控的量子关联光子对产生方法，其特征在于，

所述空间光调制器在不同频率ω处引入由相位函数φ(ω)描述的相位延迟，即，对频率为ω_p的泵浦光引入的相位延迟可表示为φ(ω_p)、对频率为ω_s的信号光子引入的相位延迟可表示为φ(ω_s)、对频率为ω_i的闲频光子引入的相位延迟可表示为φ(ω_i)。

6.根据权利要求5所述一种输出频谱可控的量子关联光子对产生方法，其特征在于，

所述第二非线性介质中产生的量子关联光子对与第一非线性介质中产生的量子关联光子对在频谱强度分布上发生干涉项为

其中，Δk为第一非线性介质和第二非线性介质中泵浦光、信号光子、闲频光子之间的波矢失配，L为第一非线性介质和第二非线性介质的长度，Δφ＝xφ(ω_p)-φ(ω_s)-φ(ω_i)是空间光调制器所引入的泵浦光、信号光子、闲频光子之间的相位差，对于二阶非线性介质x取1，对于三阶非线性介质x取2；当第一非线性介质和第二非线性介质确定后，ΔkL就随之固定，其中φ(ω_p)、φ(ω_s)、φ(ω_i)则可通过控制空间光调制器实现独立控制，因而可通过定义不同的分段相位函数φ(ω)来改变Δφ，从而控制干涉项的大小；

即当控制空间光调制器引入不同的分段相位函数φ(ω)时，实现对量子关联光子对输出频谱的控制。