基于单光楔的自发参量下转换过程折射偏离角抑制方法

技术领域

本发明属于量子纠缠光源技术领域，尤其涉及一种基于单光楔的自发参量下转换过程折射偏离角抑制方法。

背景技术

目前，传统的光学成像领域存在诸多缺陷，如分辨率受到光学衍射极限的限制，易受环境干扰、精度较低等。量子纠缠成像技术的出现则能有效解决上述传统成像问题。而为了实现量子成像技术，高纠缠性、高能量效率的双光子纠缠源是其中最为重要的一环。近年来，量子纠缠光源得到了迅速发展，在量子探测成像、量子计算、量子密钥分配、隐形传态、计量和安全时间传输等方面得到了广泛的应用，这些技术的核心是由双光子纠缠源制备的纠缠光子对。由于利用自发参量下转换(Spontaneous Parametric Down Conversion,SPDC)过程制备出来的纠缠光子对纯度较高、亮度较高，成为目前双光子纠缠源制备纠缠光子对最成熟、最常用的方法。

SPDC是利用非线性晶体的二阶非线性效应来制备纠缠光子对的。在光场与晶体的非线性作用过程中，一束泵浦光波通过非线性晶体后，在一定概率下产生另外2束频率较低的参量光，其中一束光称为信号光，另一束光称为闲置光。SPDC过程是上述3束光在非线性晶体中的三波混频过程，其满足能量守恒和动量守恒，即“相位匹配”条件。由于非线性晶体的双折射效应，偏振方向不同的光在晶体内的折射率也不同，因此需要选择合适的晶体作为下转换晶体使相位匹配得到满足，从而实现SPDC过程。常用的非线性材料包括偏硼酸钡(barium metaborate,BBO)、磷酸二氢钾(potassium dihydrogen phosphate,KDP)等。

在SPDC过程中，一般使用准直的泵浦激光垂直入射到切割为长方体传统结构的非线性晶体中，但是由于非线性晶体的双折射效应，垂直入射到晶体的泵浦光会发生一定角度的偏转，这会影响相位匹配条件的满足，进而影响产生的纠缠光子对的质量，而在具体的实验过程中，要想使产生的信号光和闲置光在水平面上进行传播，需要对泵浦光传播方向、波片的角度以及晶体的摆放方向等进行微调，调整过程复杂，而且准确性较差。

发明内容

要解决的技术问题：

本发明的目的是通过在光路中加入一个单光楔以保证泵浦光在入射到晶体后沿水平方向传播，减小泵浦光入射到非线性晶体时由于双折射效应发生偏转而带来的影响，进而提升相位匹配条件满足质量，提高产生的纠缠光子对的质量。

采用的技术方案如下：

一种基于单光楔的自发参量下转换过程折射偏离角抑制方法，在自发参量下转换过程中，为抑制泵浦光入射非线性晶体之后折射偏离角的产生，在非线性晶体前加入合适的单光楔结构，具体方法如下：

S1：根据实际需求确定纠缠光o光和e光的波长分别为λ

S2：在所述非线性晶体前加入一个单光楔，当纠缠光在所述非线性晶体中的折射偏离角为0时，推导出泵浦光在所示非线性晶体前表面的入射角

S3：选取单光楔的材料，根据所述单光楔的折射率n，结合所述入射角

进一步，在步骤S2中，当泵浦光斜入射到非线性晶体时，由于晶体的双折射效应，e光会发生偏转；当所述折射偏离角为0时，泵浦光在非线性晶体中沿水平方向传播，此时，泵浦光在非线性晶体前表面的入射角

其中，根据所述纠缠光的波长λ

进一步，在步骤S1中，通过自发参量下转换过程制备的纠缠光子对满足：

进一步，在步骤S3中，所述非线性晶体采用负单轴晶体材料，使得n

进一步，根据所述单光楔的小角度折射作用，当光线垂直入射单光楔时，所产生的偏向角

因此，要满足泵浦光入射到所述非线性晶体的角度为

可计算得出所述单光楔的楔角α

一种双光子纠缠源，包括激光器、光束整形模块、非线性晶体和单光楔，其中所述单光楔采用上述任一种基于单光楔的自发参量下转换过程折射偏离角抑制方法制备。

进一步，由所述激光器发出频率为ω

进一步，所述光束整形模块包括小孔、凸透镜、波片、偏振分束器，对所述激光器发出的泵浦光进行整形，使其保持良好的准直性且偏振方向一致的状态，之后再入射到所述非线性晶体中。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明通过对单光楔进行结构设计以精确调整泵浦光传播方向，进而提升相位匹配的质量，减小泵浦光入射到晶体时由于双折射效应发生偏转而带来的影响。

(2)本发明仅通过加入一个单光楔器件以改进双光子纠缠源传统光路结构，方法简单，操作简便，适合于工程应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明双光子纠缠源组成部分框图；

图2为本发明的非线性晶体中相位匹配示意图；

图3a为传统光路中泵浦光入射非线性晶体示意图

图3b为传统光路中SPDC过程产生折射偏离角示意图

图4a为本本发明中单光楔光路示意图

图4b为本发明中非线性晶体实现SPDC过程示意图

图5为本发明泵浦光斜入射非线性晶体惠更斯作图示意图

图6为本发明泵浦光斜入射非线性晶体折射偏离角为零的光路示意图

图7为本发明泵浦光垂直入射单光楔折射光路示意图

图8本发明单光楔器件结构设计流程框图

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

通常情况下，双光子纠缠源包括激光器、光束整形模块和非线性晶体等组成部分，具体组成部分框图如图1所示。由激光器发出频率为ω

在SPDC过程中，一束频率为ω

在实现SPDC过程中，一般使用准直的泵浦激光垂直入射到切割为长方体结构的非线性晶体中。由于相位匹配方式的条件约束，通常情况下只有非常光线(ExtraordinaryRays，简称e光)可以实现SPDC过程，因此激光器发出的泵浦光经过光束整形模块后寻常光线(Ordinary Rays，简称o光)部分基本被滤除，只剩下e光进入非线性晶体中。然而，由于非线性晶体的双折射效应，泵浦光入射到晶体后会发生小角度的偏转，此时泵浦光在晶体中的传播方向与水平面不平行，进而产生的信号光和闲置光与水平面均不平行，不便于后端对制备出来的纠缠光子对进行检测、收集和利用，如图3所示；而在具体的实验过程中，要想使产生的信号光和闲置光在水平面上进行传播，需要对泵浦光传播方向、波片的角度以及晶体的摆放方向等进行微调，调整过程复杂，而且准确性较差。

本发明提供了一种改进的基于单光楔的SPDC过程折射偏离角抑制方法，将传统双光子纠缠源光路结构中加入一个单光楔器件，以实现e光入射到非线性晶体后能够沿水平面传播，从而有效地抑制由于双折射效应产生的折射偏离角，有效提升相位匹配质量，准确性更高，如图4所示。

在本发明单光楔结构设计的具体过程中，首先根据需求确定纠缠光的波长λ

当泵浦光斜入射到非线性晶体时，为了定量地讨论其中的一些角度关系，以泵浦光入射点0点为原点，光轴所在方向的垂直方向为x轴，光轴所在方向为y轴建立平面直角坐标系，如图5所示，设入射角为φ，上层为空气，折射率为1；下层为非线性晶体，晶体的切割角为θ，即光轴与界面法线之间的夹角为θ，o光、e光在晶体中的折射率分别为n

当泵浦光入射到非线性晶体时，入射平面波分别到达晶体界面O点和A点，即O点和A点分别为入射平面波到达晶体界面的两个入射点，AB方向与泵浦光入射方向平行，以O点向AB作垂线，垂点为点B，为了推导各关系式更方便，设|AB|为单位长度1，则得到0A的长为

同时过A点分别作e光和o光的包络面的切线，切圆于C点、切椭圆于D点，则OC、OD即为o光和e光的传播方向。设切点坐标分别为

对e光的包络面方程左右进行求导即可得到位于切点D处切线的斜率，令其等于直线AD斜率，从而得到方程：

进一步化简得到：

再将上述方程两边分别平方之后，等式右边分母写作sin

要想实现泵浦光入射到晶体之后沿水平方向传播，即折射偏离角为0，则需满足D点在界面法线上，设此时入射角为

当D点在界面法线上时，即满足：

则有：

将式(7)代入式(5)可以得到折射偏离角为0时的入射角

则可得：

由此可以，当泵浦光斜入射到非线性晶体时，由于晶体的双折射效应，e光会发生偏转；当入射角

而为了精确控制泵浦光入射到非线性晶体的角度，本发明在传统光路中加入一个单光楔，具体光路图如图7所示。

根据单光楔的小角度折射作用，当光线垂直入射或接近垂直入射单光楔时，所产生的偏向角

因此，要想满足泵浦光入射到非线性晶体的角度为

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。