具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种光子频率转换装置的结构框图，所述光子频率转换装置包括：

第一激光器10，用于输出第一泵浦光；

光束处理模块20，设置在所述第一激光器10的输出端，用于根据所述第一泵浦光生成光子对，并将所述光子对分离出第一水平偏振光和第一垂直偏振光；

轨道角动量加载模块30，设置在所述光束处理模块20的所述第一垂直偏振光的输出端，用于对所述第一垂直偏振光加载轨道角动量信息，获得轨道角动量光束；以及

频率转换模块40，设置在所述轨道角动量加载模块30的输出端，用于转换所述轨道角动量光束的光频率。

在本发明实施例中，对第一激光器10的具体结构不做限制，例如第一激光器10可以为半导体激光器，第一激光器10为780nm的激光器，其输出光束的中心波长为780nm，线宽小于1MHz，输出功率为120mW。

在本发明实施例中，光束处理模块20设置在第一激光器10的输出端使第一激光器10输出的第一泵浦光能够射入光束处理模块20。本实施例对光束处理模块20的具体结构不做限制，例如，如图2所示，光束处理模块20可以包括沿光路依次设置的第一半波片21、第一透镜22、第一非线性晶体23、第二透镜24、第一滤光片25以及第一偏振分光镜26，其中第一半波片21的工作波段也为780nm，从第一激光器10输出的第一泵浦光束射入第一半波片21，通过设置第一半波片21的快轴与入射的第一泵浦光束的偏振方向的夹角，即通过旋转波片21，使泵浦光变成水平偏振光，从而满足II型参量下转换条件；从第一半波片21射出的光束射入第一透镜22，第一透镜22表面镀膜为[email protected]，第一透镜22的焦距为f₁@775nm，从第一半波片21射出的光束经过第一透镜22可以聚焦在第一非线性晶体23的中心；第一非线性晶体23可以为Ⅱ型周期性极化KTP晶体，例如具体可以为PPKTP，第一非线性晶体23的尺寸可以为1mm×2mm×10mm，其极化周期为46.2μm，位相匹配温度为23.6(±0.002)℃，且第一非线性晶体23的两侧表面均镀有[email protected]和[email protected]的膜；第一泵浦光经过第一非线性晶体23作用后产生一对正交偏振的光子对，光子对是在1560nm处的信号光子和空闲光子；从第一非线性晶体23射出的光子对光束射入第二透镜24，第二透镜24的表面镀有[email protected]的膜，第二透镜24的焦距f₂@1550nm，且第一透镜22的焦距与第二透镜24的焦距相同，第二透镜24可以对从第一非线性晶体23射出的光束进行准直；从第二透镜24射出光束射入第一滤光片25，第一滤光片25表面镀有[email protected]、[email protected]的膜，这样第一滤光片25可以过滤掉经过第一滤光片25的光束中的780nm的第一泵浦光，只保留经过第一非线性晶体23作用后产生的1560nm的光子；从第一滤光片25射出的光束再射入第一偏振分光镜26，第一偏振分光镜26的表面镀有[email protected]的膜，第一偏振分光镜26可以将经过第一非线性晶体23产生的正交偏振的光子对分离出第一水平偏振光和第一垂直偏振光，第一水平偏振光沿光束射入第一偏振分光镜26的方向从Port1射出，第一垂直偏振光在光束射入第一偏振分光镜26的方向的基础上折转90°后Port2射出。

在本发明实施例中，对轨道角动量加载模块30的具体结构不做限制，例如，如图3所示，轨道角动量加载模块30的输入端Port3与Port2连接，轨道角动量加载模块30可以包括耦合单元、偏振调节单元、第二偏振分光镜33、光路折转单元、涡旋相位板35以及第二半波片36，其中，耦合单元可以将从Port3输入的第一垂直偏振光耦合到自由空间中，本实施例对耦合单元的具体结构不做限制，例如，耦合单元可以包括第一光纤耦合头311和第二光纤耦合头312，第一光纤耦合头311输入端与Port3连接，第一光纤耦合头311的输出端通过单模光纤连接第二光纤耦合头312的输入端，第一光纤耦合头311可以将从Port3输入的第一垂直偏振光耦合进单模光纤，单模光纤的工作波长为1560nm，进入第一光纤耦合头311的光束通过单模光纤传输到第二光纤耦合头312，然后通过第二光纤耦合头312耦合到自由空间中；经过耦合单元耦合到自由空间的光束射入偏振调节单元，本实施例对偏振调节单元的具体结构不做限制，例如，偏振调节单元可以包括第一四分之一波片321和第三半波片322，第一四分之一波片321和第三半波片322的工作波长相同，均为1560nm，且第一四分之一波片321和第三半波片322沿光路依次设置在耦合单元和第二偏振分光镜33之间，偏振调节单元用于调节耦合单元输出光束的偏振特性，以使光子从第二偏振分光镜33分开的概率相等；从第三半波片322射出的光束射入第二偏振分光镜33，第二偏振分光镜33的表面镀有[email protected]的膜，第二偏振分光镜33将射入其的光束分离出第二水平偏振光和第二垂直偏振光，第二水平偏振光沿光束入射到第二偏振分光镜33的方向直接从第二偏振分光镜33射出，第二垂直偏振光折转90°后从第二偏振分光镜33射出；第二水平偏振光和第二垂直偏振光从第二偏振分光镜33射出后分别经过光路折转单元折射到涡旋相位板35，通过涡旋相位板35后又经过光路折转单元折射到第二偏振分光镜33，本实施例对光路折射单元的具体结构不做限制，例如，光路折射单元可以包括第一反射镜341、第二反射镜342以及第三反射镜343，第一反射镜341和第二反射镜342设置在第二偏振分光镜33的第二水平偏振光射出端和涡旋相位板35之间，第三反射镜343设置在第二偏振分光镜33的第二垂直偏振光射出端和涡旋相位板35之间，且第一反射镜341、第二反射镜342以及第三反射镜343的表面均镀有[email protected]的膜；第二水平偏振光经过第一反射镜341和第二反射镜342的折射作用后射入涡旋相位板35，从涡旋相位板35射出后经过第三反射镜343折射后射入第二偏振分光镜33，第二垂直偏振光经过则经过第三反射镜343的折射作用后射入涡旋相位板35，从涡旋相位板35射出后再依次经过第二反射镜342和第一反射镜341的折射作用射入到第二偏振分光镜33，其中涡旋相位板35的工作波段为1560nm，经过涡旋相位板35的光束均被加载上轨道角动量L(L＝1、2、3…n)，被加载上轨道角动量的水平偏振光折射回到第二偏振分光镜33后直接透射出去，被加载上轨道角动量的垂直偏振光折射回到第二偏振分光镜33折转90°后射出，被加载轨道角动量的第二水平偏振光和第二垂直偏振光从第二偏振分光镜33射出后一起到达第二半波片36，此时光束为叠加状态。

在本发明实施例中，射入第二半波片36的叠加光束的叠加状态取决于第一四分之一波片321和第三半波片322作用后的光束偏振状态以及涡旋相位板给光束加载的轨道角动量L。例如，光束的偏振状态为水平偏振，l＝1，则光束的叠加状态记作：|1>；光束的偏振状态为45°偏振，l＝1，则光束的叠加状态记作：|1>+|-1>；光束的偏振状态为水平偏振，l＝2，则光束的叠加状态记作：|2>；光束的偏振状态为45°偏振，l＝2，则光束的叠加状态记作：|2>+|-2>。

在本发明实施例中，第二半波片36的工作波段为1560nm，通过设置其快轴与入射光偏振方向的夹角，可控制旋转光束的偏振方向，从第二半波片36射出的光束经过Port4射出轨道角动量加载模块。

在本发明实施例中，对频率转换模块40的具体结构不做限制，例如，如图4所示，频率转换模块40可以包括第二激光器41、准直透镜42、光学腔结构、第三透镜44、第二非线性晶体45以及第二滤光片46，其中第三透镜44的输入端Port5与Port4连接，其表面镀有[email protected]的膜，第三透镜44可以将从Port5入射的1560nm波段的光束聚焦在第二非线性晶体45的中心；本实施例对第二激光器41的具体结构也不做限制，例如第二激光器41为半导体激光器，且第二激光器41为795nm激光器，其中心波长为795nm，线宽小于1MHz，输出功率为100mW，第二激光器41用于输出第二泵浦光；准直透镜42设置在第二激光器41的光束输出端，准直透镜42表面镀有[email protected]的膜，用于将第二泵浦光准直后经过光学腔结构射入到第二非线性晶体45。

在本发明实施例中，光学腔结构的具体结构不做限制，光学腔结构可以用于增强通过所述第二非线性晶体45的光束强度。例如，学腔结构包括耦合镜431、第四反射镜432、第一凹面镜433以及第二凹面镜434，其中第二非线性晶体45设置在所述第一凹面镜433和所述第二凹面镜434之间，从准直透镜42射出的光束进入光学腔结构后依次经过耦合镜431、第四反射镜432、第一凹面镜433、第二非线性晶体45以及第二凹面镜434，且可以从第二凹面镜434再折射到耦合镜431。其中，耦合镜431表面镀有保证在795nm处的透过率为3％的膜，耦合镜431一方面可以保证由准直透镜42准直后的的光束顺利通过到达第四反射镜432，另一方面可以保证由第二凹面镜434反射过来的光束中3％强度的光束透射过耦合镜431射出，97％强度的光束反射至第四反射镜432；第四反射镜432表面镀有[email protected]的膜，从而可以保证795nm的光束在其表面被高效地反射；第一凹面镜433曲率为80mm，表面镀有[email protected]、[email protected]的膜，从而第一凹面镜433可以保证从第三透镜44射出的1560nm波段的光束顺利通过，到达第二非线性晶体45；第二凹面镜434曲率为80mm表面镀有[email protected]、[email protected]的膜，第二凹面镜434一方面可以保证从第二非线性晶体45射出的525nm波段的光束顺利通过，并通过第二滤光片46从Port6射出，另一方面可以保证从第一凹面镜433反射来的795nm波段光束在其表面被高效的反射至耦合镜431，其中第二滤光片46表面镀有[email protected]、[email protected]、[email protected]的膜，其可以用于进一步过滤其他波段的光束，只保留经第一非线性晶体23作用后产生的525nm处的空闲光子。

在本发明实施例中，优选的，光学腔结构还包括控制调节单元，控制调节单元用于调节光学腔结构的长度，本实施例对控制调节单元的具体结构不做限制，例如，控制调节单元可以包括第二四分之一波片471、第三偏振分光镜472、第一光电探测器473、第二光电探测器474、差分放大器475以及压电陶瓷促动器476，其中，第二四分之一波片471的工作波长均为795nm，设置其快轴与入射光的偏振方向夹角为π/2，入射光变为圆偏振光，第二四分之一波片471设置在耦合镜的431的3％强度的光束透射过耦合镜431射出的一侧，第二四分之一波片471的入射光即为透过耦合镜431射出的光束；从第二四分之一波片471射出的光束射入第三偏振分光镜472，第三偏振分光镜472的表面镀有[email protected]的膜，第三偏振分光镜472用于将圆偏振光分离出第三水平偏振光和第三垂直偏振光，其中第三水平偏振光直接从第三偏振分光镜472透射出去到达第一光电探测器473，第三垂直偏振光经过90°折转到达第二光电探测器474；第一光电探测器473和第二光电探测器474为光电转换器件，其可以将光强信号转换为电信号，当不同的光束强度照射其表面时，输出不同的电压信号，当光束强度变化时，电压信号也跟随变化，第一光电探测器473和第二光电探测器474可以分别将第三水平偏振光和第三垂直偏振光转换为第一电信号和第二电信号；第一光电探测器473和第二光电探测器474的输出端分别通过导线连接差分放大器475的输入端，从而将第一电信号和第二电信号传输到差分放大器475，差分放大器475的输出端通过导线连接压电陶瓷促动器476，差分放大器475用于比较第一电压信号和第二电压信号的大小，并输出控制信号给压电陶瓷促动器475，压电陶瓷促动器475设置在第四反射镜432上，其可根据被加载的电压值来调节自身的长度，进而可调整第四反射镜432的位置。通过设置光学腔结构，并在光学腔结构中设置控制调节单元，795nm地光束可在光学腔结构中多次循环，从而提升通过第二非线性晶体45的光束强度，另外，当该光学腔的状态改变时，第一光电探测器473和第二光电探测器474可以探测到该变化的信号并传递给差分放大器，进而差分放大器475控制压电陶瓷促动器改变腔长，可以把光学腔恢复到之前的状态，从而，通过以上的反馈过程，光学腔可以一直稳定地工作在一个理想的状态。

在本发明实施例中，第二非线性晶体45为0型周期性极化KTP晶体，具体的为PPKTP，尺寸为1mm×2mm×10mm，极化周期为9.375μm，针对1560nm光束的简并位相匹配温度为39.4(±0.002)℃，且第二非线性晶体45的两侧表面均镀有[email protected]、[email protected]、[email protected]的膜，经过汇聚的1560nm波段的光束经第二非线性晶体45作用后会产生一对正交偏振的光子对，光子对是在795nm处的信号光子和525nm处的空闲光子。

本发明实施例提供的一种通过在装置中设置第一激光器10、光束处理模块20、轨道角动量加载模块30以及频率转换模块40，可以通过光束处理模块对第一激光器输出的第一泵浦光进行处理获得光子对，并将光子对分离得到第一水平偏振光和第一垂直偏振光，然后轨道角动量加载模块可以对第一垂直偏振光加载上轨道角动量信息，最后通过频率转换模块对携带有轨道角动量信息的轨道角动量光束的光频率进行转换，从而实现对光子频率的转换，进而可以通过本方案的光子频率转换装置连接两个不同工作波长的量子系统。且在转换过程中保持了单光子的相干性。

如图5-6所示，在本发明实施例中，所述光子频率转换装置还包括第一测量模块50，所述第一测量模块50用于测量光束的空间结构。

在本发明实施例中，第一测量模块50可以包括第三光纤耦合头51、第四光纤耦合头52、第一单光子探测器53、第二单光子探测器54以及符合计数器55，其中第三光纤耦头51的输入端Port7连接光束处理模块20中所述第一水平偏振光的输出端Port1，第四光纤耦合头52的输入端Port8连接所述频率转换模块40的输出端Port6，第三光纤耦合头51和第四光纤耦合头52的输出端分别通过单模光纤连接第一单光子探测器53和第二单光子探测器54的输入端，第一单光子探测器53和第二单光子探测器54的输出端分别连接符合计数器55的两输入端，其中第三光纤耦合头51和第四光纤耦合头52可以将从Port7和Port8中射入的光子到其输出端连接的单模光纤，第三光纤耦合头51输出端连接的单模光纤的工作波段为1560nm，第四光纤耦合头52输出端连接的单模光纤的工作波段为525nm；第一单光子探测器53和第二单光子探测器54用于探测光子信号，量子效率20％，延时小于5μs。其原理是，当有一个光子到达单光子探测器表面时，单光子探测器会输出一个电信号给符合计数器。其中，第二单光子探测器安装在一个一维调整平台上，可在沿光路垂直方向上进行位置调节，第一单光子探测器安装在固定平台上；符合计数器55用于符合计数，第一单光子探测器53和第二单光子探测器54的输出信号被发送到符合计数器55，符合窗口为0.4ns。其原理是，当同时接收到第一单光子探测器53和第二单光子探测器54输出的信号时，其计数增加1，即可以记录同一时刻同时到达第一单光子探测器53和第二单光子探测器54的光子数。通过设置第一测量模块可以通过调整其中的一维调整平台，利用符合计数的方式测量光束的空间结构。

如图7-8所示，在本发明的另一个实施例中，所述光子频率转换装置还包括第二测量模块60，所述第二测量模块60用于测量显示光束的截面形状。

在本发明实施例中，第二测量模块60包括电荷耦合器件61，电荷耦合器件61的输入端Port9连接轨道角动量加载模块30的输出端Port4。其中电荷耦合器件61(CCD)可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现，用于显示光束的截面形状细节。在实际操作中，第二测量模块60的Port9先与上述的Port4连接，测量经过频率转换模块前的光束状态；之后，第二测量模块的Port9再与上述的Port6连接，测量经过频率转换模块后的光束状态。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。