[發(fā)明專利]一種基于手性系統(tǒng)的無損單光子探測裝置及方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011353756.6
• 申請日: 2020-11-27
• 公開（公告）號: CN112577600A
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 林偉功;由玉;鈕月萍;龔尚慶
• 申請（專利權(quán)）人: 華東理工大學(xué)
• 主分類號: G01J1/58
• 分類號: G01J1/58;G01J9/00
• 代理公司: 上海順華專利代理有限責(zé)任公司 31203
• 代理人: 李鴻儒

1.一種基于手性系統(tǒng)的無損單光子探測方法，其特征在于，包括以下步驟：

首先，單光子從第一光纖裝置接收端進入第一光纖裝置中，并近乎無損的將單光子從第一光纖裝置的輸出端耦合到耦合了發(fā)射子的一維手性結(jié)構(gòu)中，在耦合了發(fā)射子的一維手性結(jié)構(gòu)中的發(fā)射子與單光子發(fā)生相互作用，該相互作用結(jié)束后發(fā)射子波函數(shù)狀態(tài)中的基態(tài)幾率幅改變了±π相移，而單光子不被原子吸收，仍然保持原有特性不變，然后，單光子從第二光纖耦合裝置的接收端進入第二光纖耦合裝置中，并近乎無損的從第二光纖耦合裝置的輸出端中透射出來。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于手性系統(tǒng)的無損單光子探測方法，其特征在于，所述耦合了發(fā)射子的一維手性結(jié)構(gòu)耦合一個發(fā)射子或多個發(fā)射子；

所述發(fā)射子與單光子發(fā)生相互作用是指單光子被發(fā)射子吸收，發(fā)射子中處于基態(tài)上的電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)上，再通過發(fā)射子的自發(fā)輻射過程電子又回到基態(tài)上，并同時發(fā)射出單光子的過程；此過程中單光子經(jīng)歷了被吸收又被發(fā)射的過程，其相互作用前后狀態(tài)不改變；而發(fā)射子經(jīng)歷了被單光子激發(fā)到激發(fā)態(tài)，再通過自發(fā)輻射回到基態(tài)的過程，其作用前后發(fā)射子波函數(shù)中的基態(tài)幾率幅改變了±π相移。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于手性系統(tǒng)的無損單光子探測方法，其特征在于，所述發(fā)射子是有類似原子離散能級結(jié)構(gòu)的物質(zhì)；

所述耦合了發(fā)射子的一維手性結(jié)構(gòu)中發(fā)射子與一維手性結(jié)構(gòu)的耦合是將發(fā)射子摻雜在一維手性結(jié)構(gòu)中，或利用激光冷卻技術(shù)將發(fā)射子囚禁在一維手性結(jié)構(gòu)外側(cè)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于手性系統(tǒng)的無損單光子探測方法，其特征在于，所述耦合了發(fā)射子的一維手性結(jié)構(gòu)所能傳導(dǎo)的光學(xué)模式是單偏振態(tài)單模式的，耦合的發(fā)射子所在的位置是一維手性結(jié)構(gòu)的完全圓偏振模式處；

所述耦合了發(fā)射子的一維手性結(jié)構(gòu)中的發(fā)射子應(yīng)制備在選定的基態(tài)和激發(fā)態(tài)的最大疊加態(tài)上其中|0表示選定的發(fā)射子的基態(tài)，|1表示選定的發(fā)射子的激發(fā)態(tài)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于手性系統(tǒng)的無損單光子探測方法，其特征在于，所述發(fā)射子與單光子發(fā)生相互作用后，發(fā)射子波函數(shù)狀態(tài)中的基態(tài)幾率幅和單光子透射率分別是：

T(Δ)＝|t(Δ)|² (2)

公式(1)中的Δ＝ω₁₀-ν為失諧量，其中ω₁₀表示發(fā)射子兩個選定能級|1和|0間的躍遷頻率，ν表示入射的被探測的單光子頻率，γ表示發(fā)射子兩個選定能級間的自發(fā)輻射衰減強度，Γ表示發(fā)射子與單光子的耦合強度，i表示虛數(shù)單位，t(Δ)表示單光子與發(fā)射子相互作用后，發(fā)射子波函數(shù)中的基態(tài)幾率幅，φ(Δ)表示發(fā)射子波函數(shù)中的基態(tài)幾率幅的相位變化，T(Δ)表示單光子與發(fā)射子相互作用后，單光子的透射率。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于手性系統(tǒng)的無損單光子探測方法，其特征在于，當無探測單光子出現(xiàn)和有探測單光子出現(xiàn)時，在不出現(xiàn)探測誤差的情況下，發(fā)射子的波函數(shù)狀態(tài)分別表示如下：

無探測單光子通過時發(fā)射子所處的波函數(shù)狀態(tài)：

有探測單光子通過時發(fā)射子所處的波函數(shù)狀態(tài)：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于手性系統(tǒng)的無損單光子探測方法，其特征在于，所述耦合了發(fā)射子的一維手性結(jié)構(gòu)與發(fā)射子應(yīng)處于強耦合狀態(tài)下，其耦合強度Γ要在40倍的自發(fā)輻射衰減強度以上即Γ≥40γ，且探測頻率在|Δ|≤5γ范圍內(nèi)的單光子，可達到近乎無損且高效的單光子探測效果；此條件下發(fā)射子與單光子相互作用后發(fā)射子的波函數(shù)狀態(tài)為其發(fā)射子的波函數(shù)中的基態(tài)|0的幾率幅近乎改變了±π相移，由于±π相移的存在，后續(xù)利用原子態(tài)檢測技術(shù)對原子狀態(tài)進行檢測即可判斷是否有單光子入射。

8.一種權(quán)利要求1至7任一項所述的方法所使用的基于手性系統(tǒng)的無損單光子探測裝置，其特征在于，是由第一光纖裝置、耦合了發(fā)射子的一維手性結(jié)構(gòu)、第二光纖耦合裝置組成，所述第一光纖裝置包括接收端和輸出端，所述第二光纖耦合裝置包括接收端和輸出端，所述第一光纖裝置的輸出端與所述耦合了發(fā)射子的一維手性結(jié)構(gòu)的一端連接，所述耦合了發(fā)射子的一維手性結(jié)構(gòu)的另一端與所述第二光纖耦合裝置的接收端連接。