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作者(中文):黃富晨
作者(外文):Huang, Fu-Chen
論文名稱(中文):利用熱原子及四波混頻機制產生窄線寬之雙光子
論文名稱(外文):Utilizing spontaneous four-wave mixing to generate narrowband biphoton from hot atom vapor cell
指導教授(中文):余怡德
指導教授(外文):Yu, Ite A.
口試委員(中文):褚志崧
廖文德
口試委員(外文):Chuu, Chih-Sung
Liao, Wen-Te
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:物理學系
學號:107022527
出版年(民國):109
畢業學年度:108
語文別:中文
論文頁數:101
中文關鍵詞:熱原子雙光子單光子四波混頻量子科技
外文關鍵詞:hot atombiphotonsingle photonspontaneous four-wave mixingquantum technology
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  本論文在研究如何利用原子與雷射光的自發性四波混頻效應,產生具有高訊號背景比的雙光子,此研究的特點在於使用熱銣原子蒸氣,不須經由雷射冷卻機制以及時序控制即可產生窄線寬的光子對。

  由於使用的媒介是熱銣原子蒸氣,在本實驗系統中有非常多的背景來源,而我們先以超精細幫浦光(HOP)以及石蠟鍍膜成功地大幅降低背景訊號,然而HOP也造成了很多未知的現象,因此本論文在前兩個章節,利用理論分析的方式去了解HOP對系統的影響。在第三章節則主要介紹實驗系統,第四章節則透過優化各項實驗參數去提升訊號背景約100:1,而第五章引入一種嘗試性的分析去解釋雙光子訊號波形的成因,而第六章則重新優化HOP各項參數,降低了HOP對EIT光譜的破壞,達到最長550ns的雙光子訊號。
This thesis is studying how to use the spontaneous four-wave mixing effect of atoms and laser light to generate biphoton with high signal-to-background ratio. The feature of this research is that it uses hot rubidium vapor cell without laser cooling mechanism and timing control. A photon pair with narrow linewidth can be produced.

Since the medium used is hot rubidium atom vapor, there are many background sources in this experimental system. We first successfully reduced the background signal by using hyperfine optical pumping (HOP) and paraffin coating. However, HOP also caused a lot unknown phenomenon. In the first two chapters of this thesis, theoretical analysis is used to understand the impact of HOP on the system. The third chapter mainly introduces the experimental system, the fourth chapter improves the signal-to-background ratio by about 100:1 by optimizing various experimental parameters, and the fifth chapter introduces a tentative analysis to explain the cause of the two-photon signal waveform. The sixth chapter re-optimizes the parameters of HOP, reduces the damage of HOP to the EIT spectrum,and achieves the temporal width of biphoton of up to 550ns.

目錄
誌謝 i
摘要 ii
Abstract iii
目錄 iv

1. 簡介 1
1.1研究動機 1
1.2先前的研究進展 1
1.3冷原子與熱原子的EIT光譜理論 4
1.4冷原子與熱原子的自發性四波混頻理論 7

2. 超精細幫浦光(HOP)對EIT光譜的影響 9
2.1加入HOP後的EIT模擬光譜 9
2.2加入HOP後對個別速度群光譜的影響 12
2.3利用綴飾態解釋HOP所造成的EIT各個穿透峰成因 16
2.4耦合光(Coupling)強度對五個穿透峰的影響 21
2.5去相干率(decoherence rate)對五個穿透峰的影響 22
2.6 HOP失諧對主穿透峰的影響 23
2.7 HOP強度對主穿透峰的影響 24
2.8利用解析公式模擬實驗光譜 26

3. 中空型HOP之架設與ZOP之效果 27
3.1實驗光路 27
3.2對HOP光斑成因之解釋 27
3.3利用遮蔽物降低HOP暗區光強 30
3.4加入Zeeman pumping (ZOP)產生的問題及影響 32

4. 各項實驗參數對雙光子訊號背景比之影響 36
4.1優化HOP四波混頻區光強 37
4.2更換Coupling laser 39
4.3更換Coupling 躍遷能階 41
4.4優化Coupling 光強 43
4.5優化Pump光強 45
4.6優化銣原子蒸氣瓶溫度 47

5. 各項實驗參數對雙光子訊號背景比之影響 49
5.1不同Coupling光強的雙光子訊號實驗數據 49
5.2不同Coupling光強的古典光EIT光譜實驗數據 52
5.3利用熱原子模擬程式擬合實驗光譜 54
5.4利用熱原子模擬光譜得到等效參數擬合單光子訊號 57
5.5利用等效參數解釋影響雙光子訊號時間長度之成因 64

6. HOP光強與失諧對EIT光譜與雙光子訊號的影響 68
6.1 HOP光強對雙光子訊號的影響 68
6.2 HOP失諧對雙光子訊號的影響 70
6.3 HOP共振與失諧的比較 71
6.4 HOP對EIT光譜和雙光子訊號的優化 73

7. 總結 77

參考資料 78

附錄A. 不同Coupling光強的雙光子訊號及古典光EIT光譜之實驗數據整理 79
附錄B. 不同時期的雙光子訊號及EIT光譜之整理 83
附錄C. 將HOP導入蒸氣瓶的有孔反射鏡對EIT光譜及雙光子影響之研究 94
附錄D. 在SFWM作用區的額外HOP光束對雙光子訊號之影響 97
附錄E. 自製雷射與Toptica雷射對雙光子訊號及背景訊號之影響 99

[1] Wang, G., et al. (2018). "Ultranarrow-bandwidth filter based on a thermal EIT medium." Scientific Reports 8(1): 7959.

[2] 柯奕廷,“利用石蠟鍍膜蒸氣瓶熱原子產生單光子對之研究”,國立清華大學,碩士論文,2019

[3] 黃怡瑄,“利用熱銣原子蒸氣產生單光子對之研究”,國立清華大學,碩士論文,2018

[4] 賴怡樺 ,“四波混頻的雙光子備製與室溫原雷德堡 -電磁波引發透明光譜 ”,國 立清華大學, 碩士論文2018

[5] 陳嘉懋 ,“雙光子訊號的背景雜之系統性研究 ”,國立清華大學 ,碩士論文 , 2018
 
 
 
 
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