对于高斯增强型混沌光场，采用有序算符内的积分理论，我们导出了其P-表示。给出P-表示与Wigner 函数关系的新推导，从而由高斯增强型混沌光场的P-表示给出其Wigner函数。

本文实验研究了德国Holoeye Photonics AG公司生产的反射型电寻址液晶空间光调制器LC-R1080的振幅和相位调制特性。在传统的振幅调制测量方法中引入最佳起偏角的测定,利用直接测量法获得了该空间光调制器精确的振幅调制特性曲线。采用双缝干涉法对空间光调制器的相位调制特性进行了测量,有效地克服了泰曼-格林干涉等方法受环境因素影响较大的缺点。通过改变加载到空间光调制器图像的灰度值,获取其相位延迟与灰度值的非线性关系。这些研究对基于液晶空间光调制器的光信息处理、自适应光学等研究奠定了良好的实验基础。

本文利用周期极化磷酸氧钛钾晶体构成的光学参量振荡器实验制备了光通信波段1.34 μm纯度为0.993的真空压缩态光场,压缩态光场的压缩度为2.98 dB、反压缩度为3.04 dB。高纯度的真空压缩态光场可为制备光通信波段高保真度的薛定谔猫态提供量子光源。

为了抑制镱原子钟激光在光纤传输过程中引入的额外噪声，本文系统地研究了光纤噪声抑制的原理和实现方法。我们利用外差拍频的方法提取光纤传输引入的相位噪声，并通过对DDS驱动的声光调制器施加伺服反馈实现对光纤噪声的抑制。本文对比了采用光纤噪声抑制系统前后的频率噪声，采用Allan方差表征的实验结果显示，经过光纤噪声抑制系统后剩余光纤噪声引起的频率不稳定度为1.85×10-17/τ，频率噪声的起伏在秒量级的平均时间下降了一个数量级，400 s后进入E-19量级，相对于未进行光纤噪声抑制的稳定度提高了2个数量级。

高灵敏度磁场测量技术在空间探测、**反潜、生物磁场测量和地质探测等方面发挥着重要作用。为了提高磁力仪灵敏度同时减小磁力仪体积,本文设计了一种全光结构的原子磁场测量方案。首先基于探测光偏振调制技术,设计了原子磁力仪的总体方案。在此基础上,重点研究了小型化磁传感Rb原子气室、无磁电加热、激光器稳频和偏振调制等关键技术。目前已完成实验室测磁原理的验证。

研究了光子晶体腔链中任意两奇数节点间量子态传输及相位门实现的问题。发现在绝热条件下,通过求解原子和光子晶体腔链耦合模型的暗态,可实现一维光子晶体耦合腔链中两个腔之间二维量子态的传输及可控相位门。在量子态传输的过程中若原子与腔的耦合强度足够大,腔的激发态的布居数小到可以被忽略。最后讨论了腔链的长度与相位门保真度的关系以及腔链的长度、初态的制备、腔的衰减、原子与腔的耦合强度对量子态传输保真度的影响。

Dicke模型中的量子相变近年来引起了人们很多的关注,而且在量子信息中有着非常重要的应用。Dicke模型研究N个二能级原子与单模电磁场相互作用,在电偶极近似下存在由正常相到超辐射相的二阶量子相变。 本文运用自旋相干态(SCS)变分法不仅考虑了场的电效应而且考虑磁效应所引起的量子相变,理论上发现了该系统中不仅存在Dicke模型中的二级量子相变而且还出现一级量子相变。在实验上,我们可以通过测量平均光子数或原子布居数来验证此类量子相变的发生。

利用全量子理论,研究了多光子跃迁下NCS(the number-chaotic state)态光场与运动二能级原子相互作用系统的保真度。讨论了原子的初始状态、数态光子数、热平均光子数、跃迁光子数、场模结构参数对系统保真度的影响。结果表明:场模结构参数影响系统量子态的振荡周期;热平均光子数影响系统保真度大小;原子初始状态、数态光子数及跃迁光子数选取不同,系统量子态的保真度表现出不同的规律。

本文研究了单Tavis-Cummings模型中两个全同二能级原子与单模光腔发生相互作用时两个原子之间的各种量子关联演化特性,并讨论了该模型中稠密编码和隐形传态的实现。讨论初始态纯度、纠缠度、腔内光子数和腔与原子之间的耦合常数对量子纠缠、量子失协和几何量子失协动力学演化特性的影响并分析出实现稠密编码和量子隐形传态所需最佳参数。结果表明:初始态纯度r和初始纠缠度a对以上三种量子关联有积极作用;随着腔与原子之间的耦合常数g和腔内光子数n的增大,量子关联振荡频率加快,同时量子纠缠死亡时间缩短,而此时量子失协、几何量子失协则仍保持非零。这表明量子失协、几何量子失协相比纠缠更具有优越性。

设计了一种带有枝节的金属-介质-金属(MIM)波导与T型谐振腔侧耦合的表面等离子体光波导结构。利用有限元法(FEM)，数值分析了改变耦合距离、T型腔几何尺寸及其不对称性、枝节高度对法诺(Fano)共振谱线的影响。结合电磁场分布进一步揭示了Fano共振现象产生的物理机理，由此可以动态调节表面等离子体波在结构中传输时产生的Fano共振特性。另外，研究表明在T型腔内填充不同折射率的材料，利用所设计的波导结构可以实现灵敏度高达940 nm/RIU的纳米尺度的折射率传感器。最后研究了结构的慢光传输特性，可以在Fano峰值附近实现约0.025 ps的光学延迟。这种新型的表面等离子体光波导可能会在光子器件集成、慢光效应及纳米传感领域有着较大的应用前景。

飞秒脉冲同步泵浦光学参量振荡器(SPOPO)可以产生非经典光学频率梳,在时域多模量子光场基础上,引入光场的空间自由度,可以获得具有时空多模特性的新型压缩态光场。这种多模压缩态可以同时实现波分复用和空分复用,是扩充量子信道容量、实现量子计算的重要工具。由于SPOPO中凹面镜的入射(出射)光线与法线通常具有一定的折叠角,其引入的像散导致某些同阶数高阶模式(例如厄米高斯01和10模)在腔内产生的Gouy相位不同,无法在腔内共振,从而限制了空间多横模压缩态的产生。本文在理论上计算了SPOPO中子午面和弧矢面产生的光束腰斑大小、位置及Gouy相位差,提出了一种补偿像散的方案,实验上实现了SPOPO内的厄米高斯01与10模的同时共振。

本文提出了两种新型的基于石墨烯的表面等离子体光波导(GSPW)，结构由单层石墨烯直波导与侧耦合的石墨烯环形谐振腔和条形谐振腔构成，利用有限元法(finite element method, FEM)对GSPW中呈现出的等离子体诱导透明(plasmon induced transparency, PIT)现象及其慢光效应进行了研究，结果表明，传输谱中出现的PIT透明窗口峰值传输率可达到80％以上，而其两侧的传输谷值接近于0，并且PIT峰值附近的最大群折射率在112左右，具有很好的滤波特性与慢光特性。透明窗口在不改变几何结构的情况下还可通过石墨烯化学势的改变而动态调制，因此，该结构在今后基于石墨烯的高密度集成表面等离子体光波导器件的设计中具有重要的借鉴作用。

本文在正六边形光子晶体光纤长周期光栅包层空气孔中选择性填充液体材料,设计并优化一种高灵敏度长周期光栅双谐振温度传感器。基于模式耦合理论建立光纤光栅传感模型,发现在包层空气孔填充特定折射率液体材料后,同一光栅周期下,模型分别在短波长、长波长处出现透射谐振峰,然后利用全矢量有限元法在完美匹配层边界条件下对模型的温度特性进行了数值分析。结果表明:当包层空气孔中填充磁流体时,随着温度的升高,左峰(短波长处)中心波长蓝移,右峰(长波长处)中心波长红移,且左、右峰间隔随温度变化曲线近似线性,其温度灵敏度为11.40 nm／℃;当第一层空气孔中填充折射率温度系数更高的乙醇,其他空气孔中填充磁流体时,左、右峰间隔的温度灵敏度为2.99 nm／℃。

采用时域有限差分法,研究了八重光子准晶微腔型光学传感器的物理特性。研究结果表明,光子准晶微腔具有高品质的共振模,其场被高度局域在腔中心,并向周边对称性扩展,呈现出高度的八重旋转对称性。由于缺陷模场扩展到微腔的周边环境中,使得模场能与外部环境产生强烈的相互作用,因此实现了高灵敏度的光学传感。在光通信波段长1 550 nm时,折射率灵敏度达到了700 nm／RIU。研究结果为实现一类新型光子准晶型高灵敏度生物传感器提供了重要的依据。

外腔半导体激光器是激光光谱学、原子物理学及量子光学领域广泛应用的光源。本文介绍我们研制的利用超窄带宽滤光片作为激光纵模选择元件且反馈量可变的猫眼型852 nm外腔半导体激光器(IF-ECDL)。旋转窄带滤光片的角度，激光波长粗调范围为14 nm。利用光纤延时自差拍法测量了窄带滤光片外腔半导体激光器的线宽，单滤光片进行选频的IF-ECDL线宽约为211 kHz,双滤光片情形的IF-ECDL线宽约为187 kHz。激光频率连续调谐范围大于1.5 GHz，获得了铯原子D2线的两组饱和吸收光谱。所研制的IF-ECDL可应用于精密光谱测量、光通信、激光冷却与俘获铯原子等方面。