多波段相關(guān)光子光譜分布與時(shí)間相關(guān)性測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究

高冬陽(yáng)，李健軍，夏茂鵬，鄭小兵*

1.中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，通用光學(xué)定標(biāo)與表征技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031 2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230031

多波段相關(guān)光子光譜分布與時(shí)間相關(guān)性測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究

高冬陽(yáng)1, 2，李健軍1，夏茂鵬1，鄭小兵1, 2*

1.中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，通用光學(xué)定標(biāo)與表征技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031 2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230031

基于相關(guān)光子的定標(biāo)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)“無(wú)標(biāo)準(zhǔn)傳遞”絕對(duì)定標(biāo)，研究相關(guān)光子的光譜輻射特性及時(shí)間相關(guān)特性對(duì)遙感器在寬波段的輻射定標(biāo)具有重要意義。為滿足光電探測(cè)器在寬譜段量子效率定標(biāo)需求，基于相關(guān)光子的定標(biāo)技術(shù)有必要從單一波段向更多波段擴(kuò)展。根據(jù)自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換所滿足的相位匹配條件，推導(dǎo)出相關(guān)光子在晶體內(nèi)的非共線角計(jì)算公式，通過(guò)數(shù)值模擬相關(guān)光子光譜輻射角度分布規(guī)律，優(yōu)化晶體相位匹配角，使得自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的相關(guān)光子具有寬光譜分布，并且相關(guān)光子輻射角度與光譜波長(zhǎng)能夠一一對(duì)應(yīng)。根據(jù)光譜分布數(shù)值模擬結(jié)果，建立了多波段相關(guān)光子的光譜分布和時(shí)間相關(guān)性測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)測(cè)量了四對(duì)相關(guān)光子的光譜分布、符合計(jì)數(shù)、相關(guān)時(shí)間以及偏振特性。其中，測(cè)量的光譜分布范圍為633～808 nm，最大光譜分布測(cè)量偏差為1.51 mm，光譜分布實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果符合一致； 測(cè)量了四對(duì)相關(guān)光子對(duì)的相關(guān)時(shí)間，最小相關(guān)時(shí)間為0.32 ns，并在實(shí)驗(yàn)中觀察到了“符合三峰”現(xiàn)象； 相關(guān)光子單光子計(jì)數(shù)及符合計(jì)數(shù)與泵浦光的偏振方向呈正弦函數(shù)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)研究表明，相關(guān)光子對(duì)具有可見(jiàn)光～近紅外寬波段分布、時(shí)間相關(guān)及偏振特性。論文研究結(jié)果在國(guó)內(nèi)外尚屬首次報(bào)道，該研究結(jié)果有望應(yīng)用于光電探測(cè)器在多波段的輻射定標(biāo)。

相關(guān)光子； 多波段； 時(shí)間相關(guān)性； 偏振特性

引 言

傳統(tǒng)定標(biāo)方法在可見(jiàn)光至近紅外波段的絕對(duì)精度一般在7%～10%，受限于輻射基準(zhǔn)量值傳遞的環(huán)節(jié)誤差，進(jìn)一步提高傳統(tǒng)方法定標(biāo)精度的潛力已非常有限。利用自參量下轉(zhuǎn)換(spontaneous parametric down-conversion，SPDC)產(chǎn)生的相關(guān)光子作為絕對(duì)光譜輻射源，可實(shí)現(xiàn)不依賴于外部標(biāo)準(zhǔn)傳遞的光電探測(cè)器絕對(duì)量子效率定標(biāo)[1-2]。目前報(bào)道的最高測(cè)量不確定度優(yōu)于0.18%[1]，通過(guò)與目前國(guó)際上公認(rèn)的最高精度的低溫絕對(duì)輻射計(jì)量值傳遞結(jié)果進(jìn)行比較，證明了相關(guān)光子定標(biāo)理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的合理性和有效性。

20世紀(jì)六七十年代，Louisell從理論上預(yù)言自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，相關(guān)光子對(duì)是同時(shí)出射的，其光譜具有可見(jiàn)～近紅外波段分布[3-4]，隨后相關(guān)光子的寬波段光譜分布特性和時(shí)間相關(guān)特性相繼在實(shí)驗(yàn)上被測(cè)量，目前國(guó)際上測(cè)量的最寬的相關(guān)光子光譜為200 nm[5]，最小的相關(guān)時(shí)間為100 fs[6]。韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué)利用351.1 nm的激光器泵浦Ⅰ類BBO晶體，產(chǎn)生非線性頻率簡(jiǎn)并的相關(guān)光子對(duì)，在697.2～727.2 nm波段范圍內(nèi)觀察到雙光子聯(lián)合光譜分布特征[7]，首次證明了參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程存在寬波段的時(shí)間相關(guān)特性，由于聚焦透鏡幾何張角限制，實(shí)驗(yàn)僅觀察到約30 nm帶寬的參量下轉(zhuǎn)換光譜的時(shí)間相關(guān)特性。國(guó)內(nèi)開展的參量下轉(zhuǎn)換定標(biāo)實(shí)驗(yàn)通常在一對(duì)分立波長(zhǎng)點(diǎn)進(jìn)行，如需實(shí)現(xiàn)多波段定標(biāo)，還需通過(guò)調(diào)節(jié)晶體的相位匹配角來(lái)制備兩對(duì)或多對(duì)相關(guān)光子對(duì)。中科院安徽光機(jī)所鄭小兵課題組通過(guò)對(duì)BBO晶體的相位匹配角度調(diào)節(jié)，制備了633/789和702/702 nm相關(guān)光子對(duì)，報(bào)道了4.16%的定標(biāo)精度和1.1 ns的相關(guān)時(shí)間[2]。國(guó)家計(jì)量科學(xué)研究院、中科院半導(dǎo)體所和中科院物理所等也采用類似的方法制備了相關(guān)光子對(duì)[8-10]。調(diào)節(jié)晶體的相位匹配角過(guò)程中，調(diào)節(jié)的精度是定標(biāo)不確度來(lái)源之一，從減小定標(biāo)不確定度來(lái)源和擴(kuò)展遙感器定標(biāo)波段范圍出發(fā)，中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所李平付等模擬了產(chǎn)生多波段相關(guān)光子光譜的相位匹配條件，在無(wú)需調(diào)節(jié)晶體相位匹配角的條件下，制備和測(cè)量了633，700和790 nm三個(gè)波段的相關(guān)光子光譜分布[11]，但沒(méi)有進(jìn)一步驗(yàn)證寬波段相關(guān)光子對(duì)的時(shí)間相關(guān)特性。

文章報(bào)道了寬波段參量下轉(zhuǎn)換效應(yīng)產(chǎn)生的相關(guān)光子光譜輻射特性研究，從理論上模擬了不同相位匹配角下的相關(guān)光子對(duì)的光譜分布，確定了產(chǎn)生相關(guān)光子的非線性晶體的最優(yōu)化相位匹配角，利用連續(xù)模式355 nm激光泵浦BBO晶體制備多波段相關(guān)光子對(duì)，建立了相關(guān)光子的光譜特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)量了四對(duì)相關(guān)光子光譜分布、符合計(jì)數(shù)、相關(guān)時(shí)間和偏振特性。

1 多波段相關(guān)光子角度分布理論

在SPDC過(guò)程中，泵浦光子與非線性晶體相互作用后自發(fā)地“分裂”成兩個(gè)低頻光子，兩個(gè)低頻光子分別稱為空閑光子(idle photon)和信號(hào)光子(signal photon)，整個(gè)過(guò)程滿足能量守恒和動(dòng)量守恒[3]。

ωp=ωs+ωi

(1)

kp=ks+ki

(2)

其中，ω和k分別表示頻率和波矢，下標(biāo)p，s，i分別代表泵浦光子、信號(hào)光子和閑置光子，式(1)和式(2)也被稱為相位匹配條件。除了滿足相位匹配條件，泵浦光偏振方向須滿足一定的要求，對(duì)于Ⅰ類SPDC過(guò)程(e→o+o)，泵浦光偏振方向須在晶體的主平面(晶體光軸與泵浦光矢量組成的平面)內(nèi)，才能產(chǎn)生偏振方向與主平面垂直的相關(guān)光子。完全相位匹配條件下，泵浦光矢量、信號(hào)光矢量和空閑光矢量在晶體內(nèi)構(gòu)成一個(gè)矢量三角形[11]，如圖1所示。其中α和β分別是表示信號(hào)光、空閑光在晶體內(nèi)的非共線角，θs(λ)和θi(λ)分別是信號(hào)光、空閑光在晶體外的出射角度。

圖1 相關(guān)光子出射角度和完全相位匹配示意圖

根據(jù)波長(zhǎng)與矢量模的關(guān)系

(3)

其中，λ和n分別表示光波在介質(zhì)中的波長(zhǎng)和折射率。聯(lián)合式(1)，式(2)和式(3)可得相關(guān)光子在晶體內(nèi)非共線角α和β的計(jì)算公式，如式(4)和式(5)所示。

(4)

(5)

根據(jù)菲涅爾折射定律，相關(guān)光子出射角度θs和θi可表示為

(6)

(7)

以355 nm泵浦BBO晶體產(chǎn)生Ⅰ類非共線SPDC效應(yīng)為例，模擬了在不同相位匹配角Ψ下相關(guān)光子的出射角度與波長(zhǎng)的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 相關(guān)光子的出射角度與波長(zhǎng)的關(guān)系

圖2說(shuō)明相關(guān)光子的光譜具有連續(xù)寬波段分布特性，并且光譜分布特性、出射角度與相位匹配角有密切關(guān)系。當(dāng)相位匹配角小于33.121°時(shí)，相關(guān)光子光譜分布不連續(xù)； 相位匹配角小于35.839°時(shí)，相關(guān)光子出射角度與波長(zhǎng)不能滿足一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，部分波段處難以分離； 相位匹配角較大時(shí)，相關(guān)光子出射角度和探測(cè)器之間距離均偏大，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不緊湊。綜合考慮，設(shè)置BBO晶體的相位匹配角為36°。

2 實(shí)驗(yàn)部分

多波段相關(guān)光子源產(chǎn)生和測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置，如圖3所示。泵浦光(355 nm，25 mW，垂直偏振)經(jīng)偏振起偏后正入射至BBO晶體(36°相位匹配角，8 mm×8 mm×10 mm，前表面鍍355 nm增透膜，后表面鍍450～1 000 nm增透膜)中心，產(chǎn)生Ⅰ類非共線SPDC。光闌1和光闌2用于消除雜散光，355 nm半波片用于調(diào)節(jié)入射泵浦光的偏振方向。PMT(photomultiplier，PMT，6 mm×8 mm光敏面)前端分別放置截止濾光片、帶通濾光片和4 mm光闌，用于選擇相關(guān)光子波長(zhǎng)和截止雜散光。PMT輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大器信號(hào)放大和甄別器信號(hào)甄別整形后，輸出的TTL電平信號(hào)用于符合測(cè)量和光子計(jì)數(shù)，其中，甄別閾值可以依據(jù)PMT輸出的脈沖高度分布特性來(lái)確定[8]。雙通道的計(jì)數(shù)器可以同步記錄信號(hào)通道和空閑通道的光子數(shù)。符合測(cè)量系統(tǒng)用于觀察四對(duì)相關(guān)光子的符合峰和測(cè)量符合計(jì)數(shù)與時(shí)間間隔，由延遲器、時(shí)間幅度轉(zhuǎn)換器(time-to-amplitude converter，TAC)、單通道分析儀(single-channel analyzer，SCA)、多通道分析儀(multi-channel analyzer，MCA)組成。PMT垂直放置于電控位移臺(tái)上，可以通過(guò)觀察PMT位置與光子計(jì)數(shù)大小的關(guān)系，以確定相關(guān)光子的出射位置。電控位移臺(tái)距離晶體中心約100 cm位置放置，其移動(dòng)步距設(shè)置為1 mm。電控位移臺(tái)1垂直于信號(hào)光出射方向放置，電控位移臺(tái)2垂直于空閑光出射方向放置。

選擇了四對(duì)相關(guān)光子作為代表性研究對(duì)象，待測(cè)的信號(hào)光波長(zhǎng)分別為633，645，710和720 nm，待測(cè)的空閑光波長(zhǎng)為700，710，790和808 nm，實(shí)驗(yàn)使用的帶通濾光片的性能參數(shù)如表1所示，其中Δθs和Δθi分別表示濾光片帶寬內(nèi)透過(guò)的信號(hào)光、空閑光的發(fā)散角度。

圖3 多波段相關(guān)光子源產(chǎn)生和測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置

表1 帶通濾光片參數(shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 信號(hào)光與空閑光光譜分布

在信號(hào)光和空閑光的理論出射位置附近一維移動(dòng)PMT，觀察光子計(jì)數(shù)與PMT位置的關(guān)系，結(jié)果如圖4、圖5所示，其中，通過(guò)旋轉(zhuǎn)半波片來(lái)測(cè)量背景光子計(jì)數(shù)。

圖4、圖5中的光子速率都出現(xiàn)“倍增”現(xiàn)象，并且每個(gè)波段的最高光子計(jì)數(shù)率存在差異，是由不同波長(zhǎng)的光子速率差異、濾光片透過(guò)率差異、甄別電平設(shè)置差異以及泵浦光功率非穩(wěn)定性等因素引起的。特別地，710 nm信號(hào)光和空閑光子計(jì)數(shù)最大值分別為1×105和2.6×105(10 s)，這是因?yàn)閮晒庾佑?jì)數(shù)曲線是在不同系統(tǒng)狀態(tài)下測(cè)量得到的，泵浦光功率非穩(wěn)定性是主要因素。由于PMT前放置了帶通濾光片，光子計(jì)數(shù)最大的位置為信號(hào)光出射的位置，較“平坦”的光子計(jì)數(shù)為背景噪聲計(jì)數(shù)。由于PMT光敏面比入射至光敏面的相關(guān)光子“光斑”大，各波段光子計(jì)數(shù)“倍增”位置不局限于一點(diǎn)，導(dǎo)致各波段光子計(jì)數(shù)曲線具有一點(diǎn)的寬度。各波段光子計(jì)數(shù)曲線FWHM也存在微小差異，是由相關(guān)光子“光束”與PMT光敏面的夾角差異引起的。

圖4 信號(hào)光子數(shù)(10 s)和信噪比隨PMT位置的關(guān)系

圖5 空閑光子數(shù)(10 s)和信噪比隨PMT位置的關(guān)系圖

圖6 相關(guān)光子出射位置偏差評(píng)估示意圖

為了評(píng)估相關(guān)光子實(shí)際出射角度和理論出射角度的偏差，通過(guò)評(píng)估相關(guān)光子出射位置偏差來(lái)代表相關(guān)光子出射角度偏差，即計(jì)算信號(hào)光出射位置與633 nm信號(hào)光出射位置的偏差來(lái)替代評(píng)估信號(hào)光出射角度的偏差，計(jì)算空閑光出射位置與700 nm空閑光出射位置的偏差來(lái)替代評(píng)估空閑光出射角度偏差，如圖6所示。

(8)

(9)

其中，下標(biāo)s和i分別表示信號(hào)光和空閑光，θ633 nm和θ700 nm分別表示理論計(jì)算的633 nm信號(hào)光出射角度和700 nm空閑光出射角度，并假設(shè)tanθ≈θ。

計(jì)算各波段相關(guān)光子出射位置偏愁結(jié)果，如表2所示，實(shí)驗(yàn)出射位置和理論出射位置的最大距離偏差為1.51 mm。

表2 相關(guān)光子出射位置間距偏差表

3.2 四對(duì)相關(guān)光子對(duì)的符合觀測(cè)

相關(guān)光子對(duì)是同時(shí)出射的，利用相關(guān)光子對(duì)中的一個(gè)光子信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)連接TAC的“Start”端，另一路光子信號(hào)通過(guò)電路延遲后連接TAC的“Stop”端，延遲時(shí)間1～63 ns可調(diào)，觀察到的四對(duì)相關(guān)光子符合峰如圖7所示。縱坐標(biāo)表示已經(jīng)扣除背景噪聲的符合計(jì)數(shù)大小(100 s)，橫坐標(biāo)代表符合的道址，對(duì)應(yīng)于相關(guān)光子對(duì)達(dá)到TAC“Start”端和“Stop”端的時(shí)間間隔。

圖7中，不同波段相關(guān)光子對(duì)的符合計(jì)數(shù)大小存在差異，是因?yàn)橄嚓P(guān)光子產(chǎn)生速率分布與波長(zhǎng)相關(guān)。四個(gè)符合峰的道址有稍微的差異，表明信號(hào)光與空閑光信號(hào)到達(dá)TAC的時(shí)間間隔有差異。每對(duì)相關(guān)光子產(chǎn)生的符合峰有三個(gè)，除了符合曲線“尾巴”的意外符合峰外，主符合峰附近還有一個(gè)意外符合峰，并且每個(gè)符合峰都具有一定的寬度。符合曲線的橫坐標(biāo)代表符合門寬度(0～200 ns)，符合曲線“尾巴”的符合峰是因?yàn)椋谀┒顺霈F(xiàn)的符合的延遲時(shí)間較長(zhǎng)，TAC輸出脈沖不是在線性區(qū)域，系統(tǒng)噪聲較大，導(dǎo)致意外符合較明顯。主符合峰附近的意外符合峰是由探測(cè)器的后脈沖引起的，特別地，710 nm簡(jiǎn)并波段的意外符合峰更明顯，這是因?yàn)?10 nm帶通濾光片帶寬內(nèi)滿足相位匹配條件的相關(guān)光子波段較寬，光子產(chǎn)生速率較大，探測(cè)器產(chǎn)生的后脈沖較多，導(dǎo)致意外符合明顯。實(shí)驗(yàn)所使用的激光功率不穩(wěn)定，也是導(dǎo)致符合計(jì)數(shù)起伏的原因之一。符合峰寬度是由帶通濾光片帶寬引起的，產(chǎn)生符合計(jì)數(shù)的不僅僅限于單對(duì)波長(zhǎng)的相關(guān)光子，濾光片帶寬內(nèi)能滿足能量守恒定律的相關(guān)光子都能產(chǎn)生符合計(jì)數(shù)，這導(dǎo)致符合峰具有一定的寬度。

圖7 四對(duì)相關(guān)光子的符合峰

改變空閑通道的電延遲時(shí)間，符合峰的道址會(huì)發(fā)生變化。四對(duì)相關(guān)光子符合峰道址隨電延遲時(shí)間的變化曲線，如圖8所示。

改變電延遲時(shí)間相當(dāng)于改變相關(guān)光子對(duì)到達(dá)TAC的時(shí)間差，通過(guò)曲線擬合，符合峰道址與光子對(duì)到達(dá)TAC時(shí)間間隔呈線性關(guān)系，即y=a+b×Δt。其中，y表示符合峰道址，Δt表示達(dá)到TAC的“Start”和“Stop”端的相關(guān)光子對(duì)的時(shí)間間隔，a表示擬合曲線的截距，b表示擬合曲線的斜率。四對(duì)相關(guān)光子符合曲線道址、符合計(jì)數(shù)大小和時(shí)間間隔的信息，如表3所示。

圖8 延遲時(shí)間與符合峰道址關(guān)系

表3中，四對(duì)相關(guān)光子的時(shí)間間隔存在差異是因?yàn)橄嚓P(guān)光子對(duì)達(dá)到TAC“Start”端和“Stop”端的時(shí)間間隔不一致，其時(shí)間間隔由相關(guān)光子對(duì)光程差和延遲器的電延遲時(shí)間所決定。實(shí)驗(yàn)測(cè)量的相關(guān)光子對(duì)時(shí)間間隔略大于實(shí)驗(yàn)設(shè)置的30 ns電延遲時(shí)間，是因?yàn)槌?0 ns電延遲，兩通道中的同軸電纜、探測(cè)器死時(shí)間都會(huì)增大相關(guān)光子到達(dá)TAC的時(shí)間間隔。表3中最小的相關(guān)光子對(duì)時(shí)間間隔為0.32 ns，而理論上相關(guān)光子對(duì)的出射時(shí)間幾乎是同時(shí)的，實(shí)驗(yàn)測(cè)量到的相關(guān)光子對(duì)相關(guān)時(shí)間由探測(cè)器的時(shí)間分辨率、帶通濾光片帶寬和系統(tǒng)光電延遲共同決定，其中探測(cè)器的時(shí)間分辨率是影響相關(guān)時(shí)間測(cè)量結(jié)果的主要因素[12]。

表3 四對(duì)相關(guān)光子符合信息表

3.3 泵浦光偏振方向?qū)庾佑?jì)數(shù)和符合計(jì)數(shù)的影響

在基于相關(guān)光子的定標(biāo)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，希望SPDC過(guò)程具有足夠高的轉(zhuǎn)換效率。泵浦光在晶體內(nèi)的偏振方向是影響相關(guān)光子轉(zhuǎn)換效率的因素之一，通過(guò)旋轉(zhuǎn)355 nm半波片改變泵浦光在晶體內(nèi)的偏振方向，研究了泵浦光的偏振方向?qū)庾佑?jì)數(shù)和符合計(jì)數(shù)的影響。

3.3.1 泵浦光偏振方向?qū)庾佑?jì)數(shù)影響

通過(guò)調(diào)節(jié)半波片來(lái)改變泵浦光的偏振方向，各個(gè)波段光子計(jì)數(shù)隨半波片的旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系，如圖9所示。當(dāng)半波片旋轉(zhuǎn)至45°時(shí)，泵浦光的偏振由垂直方向變成水平方向，其方向在晶體的主平面內(nèi)，滿足相位匹配條件，發(fā)生SPDC效應(yīng)，此時(shí)測(cè)量的光子計(jì)數(shù)為相關(guān)光子計(jì)數(shù)和背景噪聲計(jì)數(shù)之和； 當(dāng)半波片旋轉(zhuǎn)至0°或90°時(shí)，泵浦光的偏振方向不滿足相位匹配條件，未發(fā)生SPDC效應(yīng)，此時(shí)測(cè)量的光子計(jì)數(shù)為背景噪聲計(jì)數(shù)； 當(dāng)半波片旋轉(zhuǎn)至其他角度時(shí)，泵浦光的偏振方向在晶體主平面內(nèi)有存在分量，光子計(jì)數(shù)隨泵浦光偏振方向呈正弦函數(shù)變化。

3.3.2 泵浦光偏振方向?qū)Ψ嫌?jì)數(shù)影響

相關(guān)光子對(duì)的符合計(jì)數(shù)是由入射至TAC“Start”端和“Stop”端的光子數(shù)決定的。因此，泵浦光的偏振方向也會(huì)影響符合計(jì)數(shù)大小，如圖10(b)。除此之外，PMT的位置也會(huì)影響符合計(jì)數(shù)值和定標(biāo)結(jié)果，如圖10(a)所示。其中，符合計(jì)數(shù)是633和808 nm相關(guān)光子對(duì)的符合計(jì)數(shù)。

圖9 光子計(jì)數(shù)率(10 s)vs.泵浦光的偏振方向

類似地，當(dāng)半波片旋轉(zhuǎn)至45°時(shí)，自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換效應(yīng)產(chǎn)生，成對(duì)相關(guān)光子產(chǎn)生符合事件，能夠觀察到符合現(xiàn)象，此時(shí)測(cè)量的符合計(jì)數(shù)為真實(shí)符合計(jì)數(shù)與噪聲符合計(jì)數(shù)之和；當(dāng)半波片旋轉(zhuǎn)至0°或90°時(shí)，SPDC效應(yīng)“關(guān)閉”，此時(shí)測(cè)量的符合計(jì)數(shù)為噪聲符合計(jì)數(shù)； 當(dāng)半波片旋轉(zhuǎn)至其他角度時(shí)，部分泵浦光與晶體相互作用產(chǎn)生相關(guān)光子，測(cè)量的相關(guān)光子對(duì)符合計(jì)數(shù)與半波片旋轉(zhuǎn)角度呈正弦函數(shù)變化。

圖10 符合計(jì)數(shù)大小vs.PMT位置和泵浦光偏振方向

4 結(jié) 論

介紹了寬波段相關(guān)光子出射角的計(jì)算理論和最佳相位匹配角的選擇方法，利用CW模式355 nm激光泵浦BBO晶體制備了寬波段非共線相關(guān)光子對(duì)，制備過(guò)程中無(wú)需調(diào)節(jié)晶體的相位匹配角。測(cè)量了四對(duì)相關(guān)光子的光譜分布和符合計(jì)數(shù)，比對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果和理論模擬結(jié)果，分析了誤差來(lái)源。在測(cè)量相關(guān)光子對(duì)符合計(jì)數(shù)時(shí)，觀察到了四對(duì)相關(guān)光子符合峰和意外符合峰，分析了“符合三峰”的特征，測(cè)量了四對(duì)相關(guān)光子對(duì)的相關(guān)時(shí)間。最后，實(shí)驗(yàn)測(cè)量了泵浦光的偏振方向?qū)庾佑?jì)數(shù)和符合計(jì)數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明相關(guān)光子具有多波段覆蓋、時(shí)間相關(guān)和偏振特性。該研究結(jié)果有助于實(shí)現(xiàn)遙感器在多個(gè)波段的絕對(duì)輻射定標(biāo)，并且在空間載荷星上相關(guān)光子定標(biāo)工程化應(yīng)用方面有著重要意義。

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(Received Dec.24, 2014; accepted Mar.27, 2015)

*Corresponding author

Research on the Distribution of Broad-Band Correlated Photon Spectra and the Measurement of Time-Correlation

GAO Dong-yang1, 2, LI Jian-jun1, XIAO Mao-peng1, ZHENG Xiao-bing1, 2*

1.Key Laboratory of Optical Calibration and Characterization, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, 2.University of Science and Technology of China, Hefei 230031, China

The correlated photon technique makes it possible to achieve a radiation calibration processing without chain transferring.The study of the spectral radiation character and time correlation of the photon is of great significance for broad-band radiometric calibration.To absolutely calibrate quantum efficiency of photoelectric detector, it is necessary to extend calibration band from single band to more bands.According to the phase-matching condition of the spontaneous parametric down-conversion, non-collinear angle formula of correlated photon in the crystal is derived.The distribution of the photon spectrum is simulated.Meanwhile, the phase-matching angle of the crystal is optimized.The photon generated by the spontaneous parameters down-conversion has a broad spectral distribution and the correlated photon wavelength is corresponding to its emission angle.Based on the result of the simulation, the experimental measurement system of the spectral distribution and time-correlation of the correlated photon is established.The spectral distribution, the time-correlation and the polarization properties of the four pair photon were measured by using this system.The experimental results show that, (1) the spectral distribution of the measurements is 633～808 nm, where the maximum spectral distribution measurement bias is 1.51 mm.The experiment result is highly consistent with theoretical ones; (2) the correlation time of four pairs correlated photon is measured, during which “three coincidence-peaks” is observed and the minimum correlation time was 0.32 ns; (3) single photon count rate along with coincidence count rate of correlated photon vary with the polarization direction of the pump as sine function.The experimental result is shown that the correlated photon pairs are ranging from the visible to near infrared band distribution, and that the spectrum has time-correlation and polarization characteristic.The research result is firstly reported at home and abroad, and the results are promising for the application of the photoelectric detector in the multi-band radiometric calibration.

Correlated photon; Broad-band; Time correlation; Polarization character

2014-12-24，

2015-03-27

國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ)項(xiàng)目(J2920130004，J312013A0001)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11204318，61275173)資助

高冬陽(yáng)，1990年生，中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所博士研究生 e-mail: dyanggao@163.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: xbzheng@aiofm.ac.cn

O433.1

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)05-1300-08