多光子纠缠源的相干调控及其在量子成像应用的研究

Generally, the coherence time of atomic ensemble is usually in sub-microsecond or even microseconds, and signal generated from parametric four-wave mixing and six-wave signal have following property, including a narrow linewidth, Long coherence time, brightness, high signal to noise ratio, and to facilitate the detection, etc. Therefore, to prepare the perfectly entangled source, the parametric four-wave mixing and six-wave mixing process in atomic ensemble is preferred option. Using atomic coherence technique, we can modulate the interaction between laser field and atomic ensemble precisely by controlling the external field parameters. Specifically, the quantum control of parametric four wave mixing process is realized by adjusting the nonlinear polarization and quantum gain. High fifth-order nonlinear process is implemented by using two cascaded interaction parametric four-wave mixing, and then triple mode entangled beams with quantum correlation properties are obtained. Based on this, we use the three-mode entangled beams obtained above to carry out it’s applications in quantum correlation imaging. On the other hand, we present high-order correlation imaging scheme, and then study the role of multiphoton bunching, super bunching and anti-bunching beam effect, and multi-color field on imaging quality influence. Therefore, the results of our project provide a solid theoretical and experimental basis for multi-channel quantum imaging.

通常，原子系综的相干时间一般处在亚微秒甚至微秒量级，而参量四波和六波混频信号具有窄线宽、长相干时间、高亮度、高信噪比，以及便于实际探测等优点。因此，原子系综中的参量四波和六波混频过程是制备理想纠缠源的首选方案。本项目是利用原子相干技术调节激光场与原子系综的相互作用，并通过控制外场参量进而控制非线性极化率和量子增益，实现对参量四波混频过程的量子控制。然后，利用两参量四波混频的级联相互作用，获得高效的五阶非线性过程，由此得到具有量子关联属性的三模纠缠光束。在此基础上，利用上述得到的三模纠缠光束，开展相关应用性实验，包括量子关联成像等。另一方面，我们提出赝场高阶关联成像的方案，并研究多光子的聚束、超聚束、和反聚束效应以及多色场对成像质量的影响。因此，本项目的研究结果为多通道量子成像提供了坚实的理论和实验基础。

根据项目的研究目标，我们对原子系综纠缠光多光子的相干调控及其在量子成像的应用进行深入的研究。利用原子相干技术，调控三阶非线性极化率、腔失谐等参量，我们研究其对三模压缩度的影响规律；我们利用非相敏量子注入放大获得参量放大非线性四波混频信号，并利用上述过程产生的关联光场作为成像光源，实现了对比度和分辨率可控的周期介质量子成像；针对现有关联成像分辨率低、对比度差的现状，我们研究了热光场高阶关联成像过程，并证明该方案成像分辨率以及对比度分别可提高2倍和91%，最后将方案用于周期介质N阶Talbot成像；基于多光束干涉方法，我们提出在原子介质中获得二维电磁诱导光晶格(正交型和蜂窝格子型)的方案，并利用平面波展开法和光场衍射的方法分别对光晶格的光子带隙结构和近场/远场衍射进行研究，并考察它们在拉比频率、失谐、温度等参量的演化规律；除此之外，负责人还对人工可调谐光晶格及其应用、光学双稳等前沿基础研究课题，开展了全光控制的进一步研究，取得了一系列研究成果，为原子系综纠缠光多光子的相干调控及其在量子成像的应用提供了依据。总体上讲上述既定目标已基本实现，各个主线研究内容也已完成。相关研究成果发表在Laser Photonics Reviews、Photonics Research、Optics Express等著名期刊上。总计发表论文12篇，申请专利12项，圆满完成了预计指标。