类型a：

低功率激光二极管泵浦量子纠缠源模型的实现与研究

主要作者及机构
本研究的核心团队来自北京航空航天大学光电工程系（Department of Opto-electronic Engineering, Beihang University）和通用工程学院（School of General Engineering, Beihang University），包括第一作者Feng Tianxuan、合作Song Zhiying、Wu Tong、Lu Xun，以及通讯作者Li Lijing。研究发表于SPIE（国际光学工程学会）的会议论文集”Proceedings of SPIE Vol. 12565”，会议名称为”Infrared, Millimeter-Wave, and Terahertz Technologies and Applications (IMT2022)“，论文DOI编号为10.¹¹¹⁷⁄₁₂.2662233。

学术背景
量子纠缠源作为量子通信、量子成像和量子计算等光学量子系统的核心组件，其应用前景广阔。然而，传统量子纠缠源存在功耗高（通常>100mW）、制备成本昂贵（依赖固体/气体激光器）等问题，严重制约了集成化与实用化发展。基于自发参量下转换（Spontaneous Parametric Down-Conversion, SPDC）理论，本研究旨在建立一个由低功率激光二极管（10mW）泵浦的量子纠缠源模型，通过优化光学路径设计和II类β相偏硼酸钡（BBO）晶体相位匹配技术，实现低成本、低功耗的纠缠光子对制备。

研究流程与方法

1. 泵浦光模块设计与仿真

   • 研究对象：选用Thorlabs公司的DL5146-101S激光二极管（水平发散角8°、垂直发散角19°），工作功率10mW，波长405nm。
     
   • 关键技术：
     
     • 采用光线追迹法模拟光学器件的位置排列，设计包含非球面镜、针孔（直径600μm）、平凸透镜、偏振分束器（PBS）和双凸透镜的光束整形路径。
       
     • 通过公式(3)-(6)计算激光二极管像散距离（∆As）与理想柱面透镜参数，实现低功率大发散角泵浦光的高效汇聚（图3©）。最终在BBO晶体位置（z轴+212.227mm处）获得光斑强度峰值为1.4×10⁵ W/m²的线性偏振光（图3(b)）。
       

2. 纠缠光子对生成模块

   • 核心器件：II类BBO晶体（角42°、长度3mm），基于负单轴晶体的Sellmeier色散方程（公式(7)-(9)）优化设计。
     
   • 相位匹配分析：
     
     • 通过公式(10)-(13)建立晶体切割角与纠缠光子波长（810nm）、分离角的数学模型。仿真显示，当信号光波长为810nm时，切割角42°对应的光子分离角为3.2°（图5(b)），满足非共线相位匹配条件（图4）。
       

3. 纠缠光子对收集模块

   • 光学路径：依次通过高通滤波器（滤除泵浦光）、PBS（分离正交偏振光子）、带通滤波器（810nm）、光纤耦合器和单光子探测器。
     
   • 计数模型：建立公式(14)，综合考虑泵浦光功率（P）、光束整形衰减（ηp=0.32）、SPDC生成率（r=8×10⁻⁷）、收集路径效率（ηd=0.25）及探测器效率（ηs=0.35），预测理论计数范围为1800-2400 counts/s。
     

主要实验结果
实验测得实际平均计数为2053 counts/s（图7(a)），与模拟结果吻合（图7(b)）。关键突破在于：
- 将泵浦功率降低至传统方案的1/10（10mW vs. 100mW），同时保持稳定的纠缠光子输出。
- 通过优化泵浦光偏振纯度（PBS透射率>1000:1）和晶体相位匹配精度（角度误差<0.1°），使系统信噪比提升40%。

结论与意义
本研究的科学价值体现在：
1. 理论创新：建立了低功率SPDC过程的完整物理模型，首次量化分析了激光二极管像散对纠缠光子产率的影响。
2. 技术突破：采用商用激光二极管替代传统固体激光器，使系统成本降低60%，功耗下降90%，为量子光源的芯片化集成奠定基础。
3. 应用前景：该模型可扩展至量子照明、生物显微成像等领域，例如通过调节BBO晶体切割角（图5(a)），可定制不同波长（650-950nm）的纠缠光源，适用于活体组织穿透成像。

研究亮点
- 方法学创新：提出基于像散补偿的泵浦光整形算法（公式(3)-(6)），解决了激光二极管大发散角与SPDC相位匹配需求的矛盾。
- 跨学科价值：将经典光学设计（Zemax仿真）与光学理论（SPDC相位匹配）深度融合，为”经典-量子”混合系统设计提供范例。
- 可重复性验证：实验数据与模型预测的偏差<12%，显著优于同类研究（通常>30%），体现了模型的可信度。

其他发现
研究同时揭示了非线性晶体长度与纠缠光子纯度间的非线性关系（未发表数据），这为后续开发高维纠缠源提供了新方向。作者在讨论部分指出，未来可通过引入时间关联计数模块进一步提升模型精度。