简并光学谐振腔的实验研究以及应用

论文摘要

早在二十世纪八十年代,物理学家费曼就提出量子模拟的概念,由于量子世界的奇异性,随着粒子数的增加,运用传统的电子计算机来模拟量子多体体系所需要耗费的资源是呈指数增长的,这个资源的耗费是人类不能承受的成本;基于量子力学的奇异特性,费曼提出可以用一个已知的、可控的、可测量的量子系统去模拟另一个未知的、难以操控的量子系统,从而走出资源耗费的困境;基于这一思想,科学家们进一步提出量子计算机的概念,就是发展一种普适的量子模拟器。后来的科学家在这一思想的指引下,孜孜不倦地追求技术突破,力求在不远的将来真正实现量子计算的宏愿。基于量子模拟的框架,人们提出各种方案,包括基于光晶格中的原子系统、离子阱系统、量子点系统、超导量子线路和光学人工维度等等各种量子模拟方案。光子是理想的飞行量子比特,量子比特之间的信息交互大多离不开光子的传递、操控,因此光学系统是量子模拟的重要体系,光子拥有丰富的自由度,包括偏振、频率以及时序脉冲等可以作为各种丰富的资源用于编码量子比特。近年来,随着量子信息技术的发展,利用光子丰富的自由度作为光学人工维度进行量子模拟的思想逐渐风靡,在量子模拟领域展现出巨大的研究价值。另一方面,在1992年Les Allen等人发现Laguerre-Gaussian模式光携带着轨道角动量（OAM）,作为一种全新的自由度,拥有近乎无穷的维度,是很好的量子信息载体。随后,关于光子轨道角动量的研究大量涌现,并取得了一大批显著的成果。近年我们实验室的周正威老师、李传锋老师等人提出一种基于人工维度的量子模拟方案,该方案在理论上利用光子的轨道角动量作为人工维度,结合耦合的轨道角动量简并腔,将整个系统中的不同轨道角动量模式映射为二维平面中的晶格格点——模拟二维晶格中的各种奇异物理现象,可以展示凝聚态物理中的各种拓扑物理学现象,研究晶体中的能带结构、各种拓扑绝缘体的奇特现象等等。但是这一切奇妙设想的实现都需要一种可以同时容纳各种轨道角动量模式激光的谐振腔——简并光学谐振腔。本人研究生期间主要进行了关于简并光学谐振腔的实验研究,本文不仅是本人读博期间的科研成果总结,也是对基于简并光学谐振腔在量子信息中的潜在应用的一个总结,其中第四章到第六章为本书的重点,具体为:第四章.实验实现了一种透镜组合的简并光学谐振腔最直接的简并光学谐振腔由2组4f光学透镜系统组成,我们在实验上利用四个透镜、四个平面反射镜构造了一个31阶轨道角动量模式同时共振的简并光学谐振腔,展示了不同模式的透射共振峰,并研究了谐振腔在不同模式下的共振频率劈裂以及透射光斑。第五章.实验研究了基于球面镜的近简并光学谐振腔实验研究了由四个相同的球面腔镜组成的空间四边形构型近简并光学谐振腔,其中引入了全新的计算腔内光学本征模式的思路,研究了左右旋模式下的共振频率劈裂关系,探测了共振模式下的模式保真度等。第六章.设计实现了一种基于椭球面镜的简易简并光学谐振腔另外,我们独辟蹊径地设计了一种椭球面镜用于补偿大角度入射的时候球面腔镜导致的光斑畸变的问题,并且建立了光线追迹的模型用于追踪光线在腔内的传输情况,模型的结果完美的印证了我们的设计;我们又进一步在实验上实现了基于这种椭球面镜的简易简并光学谐振腔,实现了21阶轨道角动量模式的共振,进一步探测了不同模式在稳定共振的情况下其波前的涡旋相位分布,为继续推进基于简并光学谐振腔内轨道角动量模式作为人工维度进行量子模拟的实验研究打下坚实的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 第二章 激光谐振腔基础知识简介
•   2.1 激光谐振腔的基本构成及其矩阵描述
•   2.2 激光谐振腔的本征光学模式
•     2.2.1 简并光学谐振腔
•   2.3 激光谐振腔实验中的技术
•     2.3.1 激光谐振腔的模式匹配
•     2.3.2 激光谐振腔的阻抗匹配
•     2.3.3 激光谐振腔的稳定
•   2.4 小结
• 第三章 光子的轨道角动量（OAM）模式简介
•   3.1 Laguerre-Gaussian模式与光子的轨道角动量
•   3.2 轨道角动量模式光的制备
•     3.2.1 螺旋相位板调制
•     3.2.2 点阵液晶空间光调制器调制
•     3.2.3 Q-plate液晶相位板调制
•   3.3 轨道角动量模式的检测
•     3.3.1 干涉法测涡旋相位
•     3.3.2 无破坏地区分奇偶阶轨道角动量模式光束
•     3.3.3 通过设计特殊的衍射光栅检测复用轨道角动量模式
•     3.3.4 干涉法检测多模式复用轨道角动量
•   3.4 小结
• 第四章 透镜4f系统简并光学谐振腔
•   4.1 光学设计
•   4.2 实验实现
•   4.3 小结
• 第五章 空间四边形简并光学谐振腔
•   5.1 光学设计
•   5.2 腔内本征光学模式的计算
•   5.3 实验实现
•   5.4 小结
• 第六章 椭球面镜简并光学谐振腔
•   6.1 椭球面镜的设计
•   6.2 光线追迹模型
•   6.3 实验实现
•   6.4 小结
• 第七章 简并光学谐振腔在量子模拟中的应用
•   7.1 量子模拟简介
•   7.2 基于光学谐振腔的量子模拟
•     7.2.1 基于腔内光学频率人工维度的量子模拟
•     7.2.2 基于简并光学谐振腔的量子模拟
•     7.2.3 基于简并光学谐振腔的量子随机行走
•     7.2.4 基于简并光学谐振腔的cavity-QED系统
•   7.3 小结
• 第八章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 程则迪

导师: 李传锋,许金时

关键词: 激光谐振腔,量子模拟,人工维度,光子的轨道角动量,光学设计

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学,物理学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O413;O43

总页数: 99

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