利用纠缠双光子实现太赫兹波关联成像的理论与实验研究

With the development of terahertz optoelectronics, terahertz-wave imaging technologies have made great progress. In the conventional pulsed terahertz time-domain imaging and continuous-wave terahertz imaging systems, the terahertz waves carrying the information about objects are readily disturbed by the environment, which will inevitably influence the imaging quality. Due to the Rayleigh diffraction limit, the image resolution is mainly determined by terahertz wavelength. The fact that the conventional terahertz-wave sources are of high cost and difficult operation hinders the further applications of terahertz imaging technoloy. In this project, we propose a terahertz correlated imaging technology based on the entangled two-photon state. This terahertz imaging technology has the advantages of strong anti-resistance interference ability, high resolution, simplicity and nonlocality. We will use the terahertz-wave parametric generator based on the spontaneous polariton scattering process as a two-photon entangled source, and then investigate the terahertz correlated imaging technology based on the entangled THz-Stokes two-photon state theoretically and experimentally. Based on the research results mentioned above, we will establish and develop the quantum theory of the correlated imaging in the terahertz region, and show a novel terahertz imaging technology. This work will be of profound scientific significance and great application potential.

随着太赫兹光电子技术的发展，太赫兹波成像技术取得了长足的进步。在常见的脉冲太赫兹波时域光谱成像技术和连续波成像技术中，携带成像物体信息的太赫兹波在空间传输过程中，很容易受到周围环境随机扰动的影响，这必然会影响成像的质量；由于瑞利衍射极限的原因，太赫兹波的波长决定了成像的分辨率；价格昂贵、操作复杂的太赫兹波辐射源限制了太赫兹波成像技术在实际中的应用。基于此，本项目中提出了一种利用纠缠双光子实现太赫兹波关联成像的新技术。这种太赫兹波成像技术具有抗干扰能力强、分辨率高、实验结构简单、非定域性等特点。我们利用基于自发电磁耦子散射过程的太赫兹波参量发生器作为双光子纠缠源，围绕THz-Stokes双光子纠缠关联成像技术开展系统而深入的理论与实验研究，在建立和完善太赫兹波段的量子关联成像相关理论的同时，提供了一种崭新的太赫兹波成像技术。该研究工作具有深刻的科学意义和巨大的应用潜力。

在常见的太赫兹波成像技术中，携带待成像物体信息的太赫兹波在空间传输过程中，很容易受到周围环境的干扰而影响成像质量；由于瑞利衍射极限的原因，太赫兹波的波长决定了成像的分辨率较低。基于此，我们在本项目中研究了一种利用纠缠双光子实现太赫兹波关联成像的新技术。这种太赫兹波成像技术的具有抗干扰能力强、分辨率高、非定域性等特点。我们以电光调Q脉冲Nd:YAG激光器基频输出作为泵浦源，激发由MgO: LiNbO3晶体组成的TPG，以此作为THz-Stokes双光子纠缠辐射源，研究了在两种具体成像光路方案情况下，利用纠缠双光子实现太赫兹波关联成像技术。通过对THz-Stokes双光子纠缠对在晶体中的色散特性和增益特性的理论研究，并结合实验研究得到的结果，我们确定了双光子纠缠太赫兹波关联成像中参考光路系统和取样光路系统相对于泵浦光传输方向的最佳放置位置（α=1.44º，β=46.1º）。同时，推导出了在两种成像方案情况下的成像公式，并对物距、像距、放大率、爱里斑半径以及最小分辨率等成像参数进行了理论分析与数值模拟。我们还对在不同波长泵浦光作用下，由LiTaO3晶体组成的TPG产生双光子纠缠对输出特性进行了研究，得到了有意义的研究结果。