[发明专利]一种单光子偏振转化方法

权利要求书

1.一种单光子偏振转换方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将半无限波导与Lambda型三能级系统进行耦合，半无限波导一端为入射端，另一端为反射端，反射端沿半无限波导方向与Lambda型三能级系统的距离定义为a；所述半无限波导由一维光子晶体或超导传输线体系实现；

(2)水平偏振的单光子经入射端发射至半无限波导中，光子经过反射端全发射至Lambda型三能级系统中，在此定义θ＝ka，k取决于入射光子的频率和半无限波导中光子传输的群速度；

(3)若θ＝(n+1/2)π，则反射光子变为垂直偏振光，若θ＝mπ，则反射光为水平偏振光，这里，m和n是不小于0的任意整数。

2.根据权利要求1所述的一种单光子偏振转换方法，其特征在于：所述步骤(1)中Lambda型三能级系统由原子、人工原子或微腔中的一种构成，Lambda型三能级系统包括上能级|3和下能级，下能级包括两个简并能级分别为|1和|2。

3.根据权利要求2所述的一种单光子偏振转换方法，其特征在于：将Lambda型三能级系统中的跃迁与水平(h-)偏振光耦合，耦合强度为gh，跃迁频率为ω₃；跃迁与竖直(v-)偏振光耦合，耦合强度为g_v，γ为原子的耗散速率，此处定义原子初态在|1，则实空间坐标系中，系统的哈密顿量可以写为：

此处：H是系统哈密顿量，v_g是光子在波导中传输的群速度；h，v表示光子的偏振为水平或垂直；分别表示在x处产生向右或向左传输的水平或垂直偏振的单光子；σ_ij是原子|i态和|j(i，j＝1，2，3)之间的偶极跃迁算符；H.c.表示厄米共轭。

4.根据权利要求3所述的一种单光子偏振转换方法，其特征在于：系统的波函数可以写为：

其中，|0，j表示光子处于真空态而原子处于|j态，e₃表示系统中光子而原子处于|3的几率振幅，φ_Rh(x)(φ_Rv(x))表示h(v)偏振向右传输光子波函数，φ_Lh(x)(φ_Lv(x))是h(v)偏振向左传输光子波函数，他们的表达式分别为：

φ_Rh(x)＝e^ikx[s(-x)+a_1Rs(x)]

φ_Lh(x)＝e^-ikx[r_hs(-x)+a_1Ls(x)]

φ_Rv(x)＝e^ikxb_1Rs(x)

φ_Lv(x)＝e^-ikx[r_vs(-x)+b_1Ls(x)]

其中，k＝ω/v_g是入射光子波矢，ω是入射光子圆频率；s(x)是阶梯函数，s(0)＝1/2，a_1R，a_1L分别表示水平偏振光子在x＝0至x＝a区间内向左和向右传输的光子几率振幅；b_1R，b_1L表示垂直偏振光子在x＝0至x＝a区间内向左和向右传输的光子几率振幅；r_h和r_v分别是反射光子为水平和垂直偏振的几率振幅。

5.根据权利要求4所述的一种单光子偏振转换方法，其特征在于：系统的波函数通过薛定谔方程求解，得到四个辅助参数a_1R，a_1L，b_1R，b_1L的表达式以及

其中，θ＝ka，Δ＝ω-ω₃；考虑共振光子入射，Δ＝0，设定g_h＝g_v，忽略耗散，则有：

。

6.根据权利要求1所述的一种单光子偏振转换方法，其特征在于：在步骤(1)中，半无限波导中的反射端表面镀有一层介质膜用以将光子全反射。