CN109471311B - 基于微型池中里德堡原子四波混频效应的单光子产生方法 - Google Patents

基于微型池中里德堡原子四波混频效应的单光子产生方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及单光子源的产生。基于铷原子蒸汽池中四波混频效应的单光子产生方法，波长为795 nm的第一激光、波长为475 nm的第二激光、波长为480 nm的第三激光同时入射进偏振分束棱镜中合成一束混合光后，通过第一凸透镜聚焦后入射至铷原子蒸汽池中，在铷原子蒸汽池中会生成波长为480 nm的单光子激光既第四激光后一起从铷原子蒸汽池中出射，过滤掉混杂的第一激光、第二激光、第三激光。利用里德堡原子间的强长程相互作用导致激发阻塞效应，利用两步激发将原子激发至里德堡态，在激发范围内只有单个里德堡原子，并利用退激发光将原子布居至中间态，最终获得中间态跃迁至基态时释放的单光子。

Description

基于微型池中里德堡原子四波混频效应的单光子产生方法
技术领域
本发明涉及单光子源的产生，是基于里德堡原子间强的长程相互作用引起的激发阻塞效应。是建立室温下量子通信网络的核心器件。
背景技术
单光子源是量子计算、模拟、传感特别是量子通信等领域的组成部分，高效率、高保真度的单光子源一直是人们追求的目标。目前，可以满足需要的，具有较高效率的单光子源诸如基于量子点的固态器件、色心以及单分子等，这些平台基本都需要在低温下运行，并且由于基于固态实现的原因，与声子的相互作用、自旋噪声、压力以及漂移电场等的影响，都将会引起频率和相位等的较大噪声。基于中性原子或者离子的单光子产生，由于原子或者离子的能级较窄，其发射的单光子从本质上具有较窄的频率带宽和稳定的相位。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何获得一种基于中性原子的单光子产生方法。
本发明所采用的技术方案是：基于铷原子蒸汽池中四波混频效应的单光子产生方法，波长为795nm的第一激光、波长为475nm的第二激光、波长为480nm的第三激光同时入射进偏振分束棱镜中合成一束混合光后，通过第一凸透镜聚焦后入射至铷原子蒸汽池中，在铷原子蒸汽池中会生成波长为780nm的单光子激光既第四激光后一起从铷原子蒸汽池中出射，过滤掉混杂的第一激光、第二激光、第三激光；铷原子蒸汽池主体是将两块耐热玻璃板(ACDF和ABEF)粘合而成，两块玻璃板中间形成一个空腔，空腔的形状是一个底面为等腰三角形的棱柱，包括了两个等腰三角形底面(ABC和FED)、两个较大的矩形侧面(ACDF和ABEF)以及一个较小的矩形侧面(BCDE)，混合光从其中一个较大的矩形侧面入射，从另一个较大的矩形侧面出射；较小的矩形侧面连接原子储存池。
作为一种优选方式：第一凸透镜将第一激光在铷原子蒸汽池中的腰斑聚焦为1μm，同时第二激光和第三激光在铷原子蒸汽池中的腰斑为10μm，腰斑是指激光在较大的矩形侧面上形成的光斑。
作为一种优选方式：从铷原子蒸汽池中出射的四束混合激光，首先通过双色镜片将第二激光和第三激光滤出光路，通过第二凸透镜扩束后利用单模光纤收集第一激光和第二激光组成的混合激光，然后利用一组滤光片将单模光纤出射激光中所包含的第一激光彻底过滤，剩余激光即为波长为780nm的单光子激光既第四激光。
作为一种优选方式：使用波长为480nm的第五激光照射铷原子蒸汽池，利用光致原子解吸附LIAD原理，将铷原子蒸汽池空腔内壁上的原子解吸附至空腔中，提高原子密度。
作为一种优选方式：激发池联通原子储存池，原子储存池其中充有铷原子，通过分别调节原子储存池与激发池的温度，控制激发池中的原子密度。
本发明所述方法的工作原理如下：里德堡原子即高激发态原子，具有能级寿命长，原子间具有极强的长程相互作用等特点，其范德瓦尔斯形式的相互作用与C6系数有关，并与里德堡态的主量子数n12成正比，因此当原子被激发至里德堡态时，在原子间强的相互作用下，其它原子的里德堡能级发生平移，如果相互作用足够强，以至于里德堡能级的平移大于激发光线宽，这时在一定的空间范围内就只有一个原子被激发至里德堡态，再利用一束退激发光将原子数相干布居至中间态，在满足相位匹配的条件下，中间态跃迁至基态时，将释放出频率一定相位稳定的单光子。
本发明的有益效果是：利用里德堡原子间的强长程相互作用导致激发阻塞效应，利用两步激发将原子激发至里德堡态，在激发范围内只有单个里德堡原子，并利用退激发光将原子布居至中间态，最终获得中间态跃迁至基态时释放的单光子。
附图说明
图1是本发明铷原子蒸汽池结构示意图；
其中，三角形ABC和三角形FED为空心棱柱的两个底面，矩形BCDE为较小的侧面，矩形ACDF和矩形ABEF为两个较大的侧面。圆柱形外延为原子储存池。
图2是本发明方法所述的利用铷原子实现单光子输出的光场以及原子能级示意图；
图3是发明的原理演示图。
具体实施方式
如图1所示是本发明铷原子蒸汽池结构示意图，可以看出，铷原子蒸汽池的激发池是等腰三角形的楔形结构，等腰三角形的底的尺寸为100μm，原子储存池联通激发池，为激发池的提供铷原子蒸汽。如图2所示是本发明方法所述的利用铷原子实现单光子输出的光场以及原子能级示意图；第一激光(第一步激发光)，波长为795nm，对应跃迁通道为5s1/2→5p1/2；第二激光(第二步激发光)，波长为475nm，对应跃迁通道为5p1/2→nS；第三激光(退激发光)，波长为480nm，对应跃迁通道为nS→5p3/2；第四激光(出射单光子)，波长为780nm，对应跃迁通道为5p3/2→5s1/2。第一激光激发铷原子5S1/2→5P1/2的跃迁，并将其频率锁定在该跃迁的共振频率上；第二激发光耦合5P1/2与里德堡nS能级，其频率以超稳腔的腔长作为参考进行稳定；退激发光耦合里德堡nS能级与5p3/2态，其频率也稳定于超稳腔的腔长。里德堡原子间的范德瓦尔斯相互作用与激发光的关系为：
Figure GDA0002624685420000021
其中h为普朗克常数，Ωeff为基态至里德堡态的有效拉比频率，C6为范德尔瓦斯相互作用系数，r为原子间的距离。
如图3所示，是发明的原理演示图，其中，铷原子蒸汽池的内壁镀有蓝宝石薄膜，795nm激发光聚焦至1μm左右，可与激发阻塞的半径相比拟。475nm以及480nm激光准直通过作用区域。
基于微型池中里德堡原子四波混频效应的单光子产生方法，①.四波混频过程包括了三束入射激光以及一束生成的单光子出射激光，分别是第一激光(第一步激发光a)波长795nm,第二激光(第二步激发光b)波长475nm，以及第三激光(退激发光c)波长480nm和最后的第四激光(单光子d)波长780nm。其中第一激光a、第二激光b以及里德堡至中间态的第三激光c需要通过原子吸收谱线以及超稳腔进行频率锁定，并且功率也需要得到稳定。三束光经过偏振分束棱镜合成一束光路，入射至微型的铷原子蒸汽池；②.在入射至微型的铷原子蒸汽池之前，使用一个专为795nm波段设计的大数值孔径凸透镜(数值孔径为0.55)，从而第一激光被聚焦为腰斑半径约为1μm的强聚焦激光，第二激光和第三激光的腰斑半径约为10μm左右；③.通过微型的铷原子蒸汽池之后，利用双色镜片将第二激光和第三激光滤出光路；④.利用单模光纤收集第一激光和第四激光，需要将大数值孔径的收集透镜固定在电控的纳米平移台上，通过扫描第一激光的吸收光谱确定最佳的第二凸透镜透镜位置；④.在探测端，利用一组滤光片，将单模光纤出射激光中所包含的第一激光彻底过滤后导入探测器；⑤.第四激光经过50/50分束棱镜，由两个单光子探测器进行探测；⑥.在所有的激光开启之前，利用一个较大光斑的紫外激光照射铷原子蒸汽池，利用光致原子解吸附(LIAD)原理，将铷原子蒸汽池内壁上的原子解吸附至铷原子蒸汽池腔中，提高原子密度。
本发明的主要仪器装置包括，a.大数值孔径(NA＝0.55)的聚焦透镜(第一凸透镜)和收集透镜(第二凸透镜)。其中聚焦透镜置于铷原子蒸汽池之前，将波长为795nm的激发光腰斑聚焦至1μm左右；相同规格的收集透镜置于铷原子蒸汽池之后，用于将波长分别为795nm激发光以及780nm的单光子进行扩束准直；b.铷原子蒸汽池。主要有耐热玻璃制成的两块底板粘合而成，其中间的空腔侧视为等腰三角形，其空腔底部的宽度(即横截面为等腰三角形的底边)为100μm，内壁镀有蓝宝石薄膜，减小原子在池壁上的吸附；c.荧光收集系统。主要由计算机、控制卡与平移台组成，将大数值孔径的荧光收集透镜放置在平移台上，其移动范围在横向x与y轴方向为200μm，纵向z轴方向为20μm.将780nm吸收测试激光的频率稳定在5s1/2→5p3/2的跃迁线上，通过扫描平移台的三个轴向，并且对所得吸收光谱进行高斯拟合，将平移台固定在780nm激光吸收最强的位置。
当激发光的线宽小于相互作用引起的里德堡能级平移时，在一定范围内将只有一个原子会被激发至里德堡态。这种效应叫做激发阻塞，而其空间大小由阻塞半径表示。当铷原子蒸汽池内腔的厚度以及第一步激发光的腰斑小于阻塞半径时，就只有一个原子被激光激发至里德堡态，再经过退激发光的作用，在满足相位匹配的条件下，就会产生基于四波混频效应的单光子，其波长对应于中间态至基态的跃迁能量，并且在很短的时间内(几纳秒)具有很好的相干性。

Claims (4)

1.基于铷原子蒸汽池中四波混频效应的单光子产生方法，其特征在于：波长为795 nm的第一激光、波长为475 nm的第二激光、波长为480 nm的第三激光同时入射进偏振分束棱镜中合成一束混合光后，通过第一凸透镜聚焦后入射至铷原子蒸汽池中，在铷原子蒸汽池中会生成波长为780 nm的单光子激光即第四激光后一起从铷原子蒸汽池中出射，过滤掉混杂的第一激光、第二激光、第三激光；铷原子蒸汽池主体是将两块耐热玻璃板粘合而成，两块玻璃板中间形成一个空腔，空腔的形状是一个底面为等腰三角形的棱柱，包括了两个等腰三角形底面、两个较大的矩形侧面以及一个较小的矩形侧面，等腰三角形的底的尺寸为100 μm，混合光从其中一个较大的矩形侧面入射，从另一个较大的矩形侧面出射；较小的矩形侧面连接原子储存池，第一凸透镜将第一激光在铷原子蒸汽池中的腰斑聚焦为1μm，同时第二激光和第三激光在铷原子蒸汽池中的腰斑为10 μm，腰斑是指激光在较大的矩形侧面上形成的光斑。
2.根据权利要求1所述的基于铷原子蒸汽池中四波混频效应的单光子产生方法，其特征在于：从铷原子蒸汽池中出射的四束混合激光，首先通过双色镜片将第二激光和第三激光滤出光路，通过第二凸透镜扩束后利用单模光纤收集第一激光和第二激光组成的混合激光，然后利用一组滤光片将单模光纤出射激光中所包含的第一激光彻底过滤，剩余激光即为波长为780 nm的单光子激光即第四激光。
3.根据权利要求1所述的基于铷原子蒸汽池中四波混频效应的单光子产生方法，其特征在于：使用波长为480 nm的第五激光照射铷原子蒸汽池，利用光致原子解吸附LIAD原理，将铷原子蒸汽池空腔内壁上的原子解吸附至空腔中，提高原子密度。
4.根据权利要求1所述的基于铷原子蒸汽池中四波混频效应的单光子产生方法，其特征在于：铷原子蒸汽池主体联通原子储存池，原子储存池其中充有铷原子，通过分别调节原子储存池与铷原子蒸汽池主体的温度，控制铷原子蒸汽池主体中的原子密度。
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