[发明专利]偏振‑轨道角动量混合纠缠态单光子的产生系统及方法

权利要求书

1.偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子的产生系统，其特征在于，包括依次连接的LD泵浦源、光学耦合系统、激光谐振腔、光束调控单元、Q-plate转化器和提纯单元；

所述LD泵浦源用于产生泵浦光，所述光学耦合系统用于对所述泵浦光进行准直和聚焦；所述激光谐振腔用于提供反馈能量，选择泵浦光的方向和频率；所述光束调控单元用于对泵浦光进行调控，以输出水平偏振单光子；所述Q-plate转化器用于将所述水平偏振单光子转化为偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子；所述提纯单元用于对偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子进行提纯；

其中所述提纯单元包括第一分束器，其分束比为50：50，用于将一束光分成两束光，以形成第一光束路径和第二光束路径，第一光束路径上依次设有第一达夫棱镜和第一镀有高反膜的全反射镜，第二光束路径上依次设有第二镀有高反膜的全反射镜和第二达夫棱镜，所述第一光束路径的末端和第二光束路径的末端交汇处设有第二分束器，其分束比为50:50；

当第一达夫棱镜和第二达夫棱镜的相对角度为α时，第一达夫棱镜和第二达夫棱镜的作用等效于在所述第一光束路径上加入旋转角为2α的光束旋转器，从而使含有相位项exp(ilφ)的光束在两条光束路径上产生相应的相位差，并在所述第二分束器处发生相消干涉，经过所述第二分束器后得到的偏振-轨道角动量混合纠缠态光子从该产生系统的输出端输出，而未发生转化的水平偏振光子在第二分束器处发生相增干涉，经过第二分束器后被舍弃掉，最终可以稳定地获得高纯度的偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子；

其中，所述相位项exp(ilφ)的轨道角动量态在两条光束路径上产生δ＝2lα的相位差；

当提纯单元输入态为|in>＝|0>|1>，其中，|0>，|1>分别表示真空态和单光子态，则经过光束旋转器后输出态其中取因此携带|l＝1>和|l＝-1>轨道角动量的混合纠缠态光子在第二分束器处发生相消干涉，将从提纯单元的Out₁出口输出，此时输出端得到从而稳定地获得高纯度的偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子。

2.根据权利要求1所述的偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子的产生系统，其特征在于，所述光学耦合系统包括依次连接的第一球面透镜和第二球面透镜。

3.根据权利要求1所述的偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子的产生系统，其特征在于，所述激光谐振腔包括依次连接的激光谐振腔输入端镜、激光增益介质和激光谐振腔输出端镜。

4.根据权利要求3所述的偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子的产生系统，其特征在于，所述激光增益介质为激光晶体。

5.根据权利要求1所述的偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子的产生系统，其特征在于，所述光束调控单元包括依次连接的谐波非线性晶体、波片组和衰减器。

6.根据权利要求5所述的偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子的产生系统，其特征在于，所述谐波非线性晶体包括透镜和倍频晶体，用于调控泵浦光的波长；所述波片组包括λ4波片和λ/2波片。

7.根据权利要求1所述的偏振-轨道角动量混合纠缠态单光子的产生系统，其特征在于，所述第一达夫棱镜和第二达夫棱镜相对设置，且在空间上具有夹角。