CN115240522B - 常温单光子干涉实验中利用飞秒激光二次标定的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种常温单光子干涉实验中利用飞秒激光二次标定的方法，以单颗胶体量子点激发的荧光为单光子源，利用氦氖激光调节好干涉光路，再利用飞秒激光对两束干涉臂的光程差范围进行二次标定；最后将单光子源接入调节好的干涉光路，经过微调，得到单光子源的相干长度；所述的干涉光路：由单模光纤出射的光通过光纤准直透镜变成平行光，经长通滤色片过滤杂散光后通过50/50分束器后分成两路，一路通过两个45度反射镜，入射到刀锋直角棱镜上；另一路通过一个直角棱镜转折光路，再通过一个45度反射镜入射到刀锋直角棱镜上。本发明有效简化了干涉实验调节的这个方法，实现常温单光子点相干长度的测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种常温单光子干涉实验中利用飞秒激光二次标定的方法。
背景技术
量子力学是描述物质微观世界结构、运动与变化规律的物理科学。20世纪前期，该理论的建立催生了激光、半导体晶体管、核能等一系列技术为代表的第一次量子革命，对人类社会产生了巨大的影响。自20世纪末期以来，以量子通信、量子计算、量子精密测量等为代表的量子信息技术得到了迅速的发展，并有望推动第二次量子革命。
脱胎于波动光学的单光子杨氏双缝干涉实验是一个认识量子力学基本原理的经典案例。一些单光子干涉演示实验是通过衰减激光光源来模拟单光子，但作为相干光的激光跟真正意义上的单光子在量子统计分布上是截然不同的，即通过衰减的方式无法避免多光子的存在，不是真正的单光子源。利用非线性下转换产生的关联光子对可以制备宣布式单光子，但在进行单光子干涉实验过程中往往需要结合两个单光子探测器及符合条件的计数设备，且难以一次性成像，不利于演示。基于二能级体系的单光子源可以产生理想的单光子，方便直接拿来使用。但性能优越的基于自组织生长半导体量子点的单光子源需要在液氦温度下工作，庞大的低温设备既昂贵也不方便使用。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种常温单光子干涉实验中利用飞秒激光二次标定的方法。本发明采用常温下发光性能优秀的化学液相合成的胶体量子点，通过显微镜下收集单颗胶体量子点发射的荧光来产生单光子，并通过二阶关联测量证明了其为纯度很高的单光子。由于经典的杨氏双缝干涉装置会将绝大部分入射光给挡掉，对光子的利用率非常低。为了更好的演示单光子干涉过程，我们采用一个改良的干涉装置，让每个入射的光子都能够到达记录干涉条纹的电子倍增探测器（EMCCD）上。通过精细的光路调节，我们最终获得清晰的单光子干涉条纹，对比度为0.55。
本发明的技术方案如下：
一种常温单光子干涉实验中利用飞秒激光二次标定的方法，以单颗胶体量子点激发的荧光为单光子源，利用氦氖激光调节好干涉光路，再利用飞秒激光对两束干涉臂的光程差范围进行二次标定；最后将单光子源接入调节好的干涉光路，经过微调，得到单光子源的相干长度；
所述的干涉光路：由单模光纤出射的光通过光纤准直透镜变成平行光，经长通滤色片过滤杂散光后通过50/50分束器后分成两路，一路通过两个45度反射镜，入射到刀锋直角棱镜上；另一路通过一个直角棱镜转折光路，再通过一个45度反射镜入射到刀锋直角棱镜上。
所述的一种常温单光子干涉实验中利用飞秒激光二次标定的方法，首先用630nm氦氖激光作为入射光进行第一次标定，找到干涉条纹，得到相干长度范围；然后将飞秒激光接入干涉实验，用CCD取代观察屏获得干涉条纹信息，进行第二次标定，找到更接近单光子相干长度的长度范围；最后将单光子源接入经过二次标定后的干涉光路，经过微调，得到单光子源的相干长度。
所述的干涉光路的调节步骤如下：第一步是光路的准直调节，将630nm氦氖激光作为入射光，调节好干涉实验装置的所有镜架位置及方向，插入刀锋直角棱镜，保证两束光紧贴着刀锋直接棱镜的尖角反射，然后对光路中的反射镜进行上下左右微调，在远处观察屏上得到干涉条纹；第二步将飞秒激光接入干涉实验，用CCD取代观察屏获得光斑信息，调节反射镜以及位移台，直到CCD中出现相干条纹最清晰，这时两路干涉臂的光程差视为单光子点的相干长度。
所述的单颗胶体量子点的制备步骤如下：
1）将PMMA溶解在甲苯试剂中，制备质量配比在1%-3%之间的PMMA溶液；
2）配置量子点稀释液，将胶体量子点样品为原液稀释后同体积的步骤１）配置的PMMA溶液；
3）通过旋涂获得胶体量子点的面密度小于0.1颗/μm2的样品玻片。
5、根据权利要求4所述的一种常温单光子干涉实验中利用飞秒激光二次标定的方法，其特征在于，利用波长在450nm的半导体激光器通过倒置荧光显微镜对载玻片上的量子点样品进行激发，激光功率为4μW，将单量子点荧光导入Hanbury Brown &Twiss（HBT）装置进行二阶关联测量。
本发明的有益效果：
本发明采用常温条件下的实验装置，利用氦氖激光调节方便，利用飞秒激光其相干长度与胶体量子点产生的单光子相干长度相近的特征，采用二次标定方法，创新实验手段，理清实验调节逻辑关系，大大简化实验调节时间，常温条件下不仅得到单光子点的相干条纹，还能算出该单光子点的相干长度数据。
附图说明
图1是单光子源表征图。
图2 是干涉装置光路的结构示意图。
图中，光源1、单模光纤2、光纤准直透镜3、长通滤色片4、50/50分束器5、第一反射镜6、第二反射镜7、第三反射镜8、K9直角棱镜9、刀锋直角棱镜10、柱透镜11。
图3是入射光为氦氖激光时观察屏上的干涉条纹。
图4是入射光为飞秒激光时，在CCD上成的干涉条纹。
图5是单光子干涉结果图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
一、试剂与仪器
试剂：胶体量子点购自纳晶科技股份有限公司，甲苯试剂、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA )购自国药集团化学试剂有限公司。
仪器：移液器(量程可调单通道)、烧杯、电子秤、液相色谱样品瓶（2mL）、台式匀胶机、激光器（PicoQuant LHD-450）、飞秒激光器（Coherent，MIRA HP）、氦氖激光器、倒置荧光显微镜、光子二阶关联测量装置、单光子光纤耦合装置、海洋光谱仪、SMF-28单模光纤跳线、K9直角棱镜、保护银反射镜、刀锋直角棱镜、位移台、K9柱透镜、50/50分束器、长通滤色片、监控CCD、EMCCD。
二、单颗胶体量子点的制备过程
稀疏分布在载玻片上的胶体量子点样品是在通风橱中制备的。
１）首先是PMMA溶液的配置，用电子秤称量一定质量的PMMA，将其溶解在甲苯试剂中，得到质量配比在1%-3%之间的PMMA溶液。水浴加热一小时后，待备用。
２）然后是量子点稀释液的配置，以外购的高浓度胶体量子点样品为原液（购自纳晶科技），利用量程为2μL的移液枪移取1μL原液至2mL的液相色谱样品瓶中，之后利用量程为1000μL的移液枪移取100μl甲苯添加至前述的液相色谱样品瓶中，将原液稀释100倍。再次重复以上操作，将原液稀释至1万倍；加入同体积的上述配置的PMMA溶液。
３）最后是分散颗粒量子点样品的制备，利用量程为100uL的移液枪取用上述稀释的量子点溶液60μL至固定于匀胶机中的载玻片上，通过旋涂获得胶体量子点的面密度小于0.1颗/μm2的样品玻片。由于PMMA的存在，单颗粒胶体量子点被包裹而隔绝了外界环境的影响。
三、实验方法
波长在450nm的半导体激光器（PicoQuant LHD-450）通过倒置荧光显微镜对载玻片上的量子点样品进行激发，激光功率约为4μW。量子点所发的荧光可以被安装在显微装置上的EMCCD所捕获成像，如图1（a部分）所示。单颗胶体量子点所发射的荧光被耦合到SMF-28单模光纤跳线中，方便接入其他装置中进行单光子性质测量及进行单光子干涉实验。由于胶体量子点优异的荧光性质，光纤导出的单光子信号强度接近2×104Hz，有利于后续实验的开展。图1（b部分）所示的光谱为单颗量子点荧光被海洋光谱仪探测的结果。洛伦兹函数拟合结果显示，该单光子中心波长为628.5nm，半高峰宽为22.2nm。单量子点荧光导入Hanbury Brown &Twiss（HBT）装置进行二阶关联测量，得到结果如图1（c部分）所示。在延时为0处，二阶关联系数g(2)(0)= 0.043 ± 0.016，表明所收集到的荧光具有显著的反聚束性质，是纯度很高的单光子。
以上实验说明了我们得到了常温下的单光子。
干涉实验装置二次标定的实验方法
搭建如图2中所示的干涉实验装置：光源1通过单模光纤2出射的光通过光纤准直透镜3变成平行光，经长通滤色片4过滤杂散光后通过50/50分束器5后分成两路，一路通过两个45度的第一反射镜6、第二反射镜7，入射到刀锋直角棱镜10上；另一路通过一个K9直角棱镜9转折光路，再通过一个45度的第三反射镜8入射到刀锋直角棱镜10上。这两路光线通过刀锋直角棱镜10的反射，在远处的屏上重合并产生干涉条纹，类似于“杨氏双缝实验”中的双缝功能。由于胶体量子点所发的荧光的相干长度较短，因此光路中的直角棱镜固定在一个位移台上，从而可以将装置中两路干涉臂的光程差调为0。
光路调节方法如下：第一步是光路的准直调节，将氦氖激光器（630nm）作为入射光，调节好该干涉实验装置的所有镜架位置及方向，插入刀锋直角棱镜，保证两束光紧贴着刀锋直接棱镜的尖角反射，然后对光路中的反射镜进行上下左右微调，目的是使两束光共面且在3米外的观察屏上重合来产生干涉条纹，如图3所示。第二步是干涉臂光程差归零。因为氦氖信号光的相干长度很长，即使观察屏上呈现清晰的干涉条纹时，干涉臂的光程差可能很大。因此，在氦氖光调节之后，需要进行光程差调零。由于飞秒激光具有相当的频谱展开，其相干长度与胶体量子点产生的单光子相干长度相近，因此将钛宝石飞秒激光器的激光（800nm）接入干涉实验装置，用CCD取代观察屏获得光斑信息，如图4所示。仔细调节反射镜以及位移台，直到CCD中出现相干条纹最清晰，这时两路干涉臂的光程差接近0。实验测得飞秒激光的光斑从相干条纹出现到相干条纹消失的调节光程为60μm。
单光子源干涉实验测量
将单个胶体量子点发射的单光子通过光纤引入校准后的干涉实验装置中，并用具有单光子探测能力的EMCCD作为观察屏来进行干涉条纹观测。为了缩减曝光时间，在EMCCD前面加入柱透镜11（如图2所示），将横向的条纹聚焦成光点来提高单个像素点上收集到的单光子数目。长通滤色片（截止波长为550nm）可以减少激发光及其他背景光对干涉结果带来的干扰。再次细微调节位移台来调节干涉臂的光程差，最终得到如图5（a部分）所示的清晰的干涉条纹。由于单光子具有较高的亮度，且光路的损耗小，获得该图仅需15s的积分。将白色虚框内的干涉条纹沿着Y方向（共有5个像素点）进行积分，得到如图5（b部分）所示光子数（光强）在X方向上的分布，通过函数拟合计算出干涉条纹对比度为0.55。
本发明基于常温下发光性能良好的胶体量子点，制备了单颗胶体量子点样品，采用光学激发对单颗胶体量子点进行定位。对单颗胶体量子点辐射的信号源进行光谱及单光子源性质表征，得到纯度很高的常温单光子源（g(2)(0) 0.043），其中心波长为628.49 nm、半高峰宽为22.17nm。此外将该单光子源应用于干涉实验探索。在设计搭建的干涉实验装置基础上，首先利用氦氖激光器调节好干涉光路，再利用飞秒激光器对两束干涉臂的光程差范围进行二次标定。通过以上二次标定有效简化了干涉实验的调节方法，再将单颗胶体量子点辐射的单光子源信号接入干涉实验装置，随即得到常温下的单光子干涉条纹，最大对比度为0.547。
上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。
Claims (3)
1.一种常温单光子干涉实验中利用飞秒激光二次标定的方法，其特征在于，以单颗胶体量子点激发的荧光为单光子源，利用氦氖激光调节好干涉光路，再利用飞秒激光对两束干涉臂的光程差范围进行二次标定；最后将单光子源接入调节好的干涉光路，经过微调，得到单光子源的相干长度；
所述的干涉光路：由单模光纤出射的光通过光纤准直透镜变成平行光，经长通滤色片过滤杂散光后通过50/50分束器后分成两路，一路通过两个45度反射镜，入射到刀锋直角棱镜上；另一路通过一个直角棱镜转折光路，再通过一个45度反射镜入射到刀锋直角棱镜上；
所述的一种常温单光子干涉实验中利用飞秒激光二次标定的方法，首先用630nm氦氖激光作为入射光进行第一次标定，找到干涉条纹，得到相干长度范围；然后将飞秒激光接入干涉实验，用CCD取代观察屏获得干涉条纹信息，进行第二次标定，找到更接近单光子相干长度的长度范围；最后将单光子源接入经过二次标定后的干涉光路，经过微调，得到单光子源的相干长度；
所述的单颗胶体量子点的制备步骤如下：
1）将PMMA溶解在甲苯试剂中，制备质量配比在1%-3%之间的PMMA溶液；
2）配置量子点稀释液，将胶体量子点样品为原液稀释后同体积的步骤1）配置的PMMA溶液；
3）通过旋涂获得胶体量子点的面密度小于0.1颗/μm2的样品玻片。
2.根据权利要求1所述的一种常温单光子干涉实验中利用飞秒激光二次标定的方法，其特征在于，所述的干涉光路的调节步骤如下：第一步是光路的准直调节，将630nm氦氖激光作为入射光，调节好干涉实验装置的所有镜架位置及方向，插入刀锋直角棱镜，保证两束光紧贴着刀锋直接棱镜的尖角反射，然后对光路中的反射镜进行上下左右微调，在远处观察屏上得到干涉条纹；第二步将飞秒激光接入干涉实验，用CCD取代观察屏获得光斑信息，调节反射镜以及位移台，直到CCD中出现相干条纹最清晰，这时两路干涉臂的光程差视为单光子点的相干长度。
3.根据权利要求1所述的一种常温单光子干涉实验中利用飞秒激光二次标定的方法，其特征在于，利用波长在450nm的半导体激光器通过倒置荧光显微镜对载玻片上的量子点样品进行激发，激光功率为4μW，将单量子点荧光导入Hanbury Brown &Twiss装置进行二阶关联测量。
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2022
- 2022-05-31 CN CN202210607023.3A patent/CN115240522B/zh active Active
Patent Citations (6)
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