无论是隐变量理论的否定还是EPR纠缠的证实,无论是量子秘钥分发还是量子隐形传态,非经典量子光源都是极重要的实验对象。本论文围绕光子和光子对的制备,开展了一系列的工作。基于准相位匹配PPKTP晶体的参量下转换过程,我们成功制备了红外通信波段高质量的偏振纠缠光源、腔增强高亮度的红外以及可见窄线宽光子对,此外,我们还在type-Ⅰ OPO中实现了模式可调的HG模窄线宽光子对。为了提供OPO腔的泵浦光源,我们还开展了低泵浦功率下的高效率倍频紫外激光研究。本论文的主要研究工作1.我们利用Sagnac干涉仪实现了偏振纠缠光子对的制备。我们用几种方法证明了产生的光子对具有很好的质量。双光子Hong-Ou-Mandel干涉具有95.3%±1.6%的干涉可见度,光子带宽2.4 nm。当光子的中心波长在20 nm内变化时,干涉可见度依然保持很高。双光子45°基Bell干涉曲线具有96.4%±2.0%的干涉可见度,而且不随温度和泵浦光功率变化。测量的CHS H(Clauser-Horne-S himony-Holt)不等式的S参数是2.63±0.08,在8a内违背不等式。对纠缠态的重构,我们得到的保真度为0.935±0.021。此外,产生的光子位于通信波段,而且是光纤输出,非常适合与光纤系统结合,用于光纤量子通信领域。2.我们实现了低泵浦功率下高效率397.5 nm倍频光的产生。我们工作的亮点是泵浦光(795 nm)的功率相对较低,仅110 mW,产生的蓝光有49 mW,足够去泵浦OPO腔产生光子对。产生的倍频光具有很好的空间模式,装置紧凑而稳定。和常见的商用倍频激光器相比,我们的倍频系统在一些场合更具有优势。例如对于调谐范围要求不高的地方如原子实验中,我们的系统可以省去昂贵复杂的激光放大器,直接用半导体激光器就能产生足够的倍频光。而且还可以利用半导体激光器的电流调制功能省去昂贵的电光调制器。此外,快速电流反馈也有助于提高系统的稳定性。3.我们实现了腔内Ⅱ型PPKTP晶体产生窄线宽光子对的实验。我们观察到多纵模光子对的互相关函数具有非常明显的梳状结构,信噪比超过100：1。在使用滤波腔滤出单纵模时,互相关函数的梳状结构消失,信噪比超过20：1,这证明了我们产生的是单纵模的窄线宽光子对。通过拟合,我们得到光子对的线宽为11.8 MHz,和原子的自然线宽在一个数量级,而且光子对的中心波长是780 nm,位于Rb原子跃迁的D2线,因此产生的光子可以与Rb原子系统结合,实现量子存储和量子中继。我们使用的泵浦光产生于单次通过倍频实验,功率只有几百μW。在今后我们计划将它换成腔内倍频方案,以便产生更强的泵浦光,这样可以增大单纵模光子对的产生率,提高量子通信和量子存储速率。4.我们实现了通信波段的窄带明亮光子源。我们使用了一个三共振的OPO腔,这样泵浦光也得到了增强,因而产生的光子对的亮度相比双共振情况有明显的提高。我们得到的光子带宽为8 MHz,相干时间为27.7 ns,亮度约为134±25s-1MHz-1mW-1。由于产生的光子位于通信波段,非常适合用于光纤系统中。如果将我们的光子源用高效率的全光纤器件实现,那将会成为量子通信里一个实用化的模块。5.我们希望能产生不同空间模式的光子对,我们对这一目标进行了初步尝试,我们先实现较容易的H G模光子的产生。我们将O P O腔锁定在高阶模上,就得到了H G模光子对。我们证明了产生的确实是非经典关联的光子对。两种情况下HG模式光子的带宽分别是11.4 MHz和20.8 MHz,与原子的自然线宽相当,波长位于780 nm附近,可以与原子系统相结合,实现高维量子存储。然后我们实现了一个模式简并消除腔,在这个腔中不同轨道角动量的光束共振频率不同,这样不同轨道角动量的光束之间不会由于简并而耦合,因此不需要非常理想的光学谐振腔就能使腔的本征模式是LG模。这为我们进一步实现直接产生窄带轨道角动量光子对奠定了基础。本论文的主要特色和创新点1.我们系统地研究了基于准相位匹配晶体的自发参量下转换过程。从单次通过形式到腔增强形式,从可见波段到红外波段,从直积态到偏振纠缠态,从基模光子到高阶空间模式光子。我们的工作全面而系统,涵盖了基于准相位匹配晶体的自发参量下转换过程的大部分情况。2.我们实现了通信波段偏振纠缠源的制备,纠缠光子具有很高的保真度和亮度,频谱特性很好,非常适用于量子通信领域。3.我们完成了单模窄线宽光子源的制备。从倍频光的产生,到多纵模光子对的制备,再到双共振单纵模光子对的制备,最后到三共振单纵模光子对的制备。我们的工作由浅入深,由易到难,系统而全面地研究了单纵模窄线宽光子源的制备。4.我们实现了多纵模窄线宽HG模光子对的直接产生。不同于以往将基模光子变换到高阶模的方法,我们产生光子对的方法可以保持很高的保真度,这在某些对保真度要求严格的场合是非常有用的。