4. 光源选型基础
量子光学实验的第一步几乎总是同一个问题：用什么光去激发、操控或探测量子态？光源选错，后面的干涉仪再精密、探测器再低噪，也往往事倍功半。本节把常用光源分成三大类——连续波与脉冲激光器、单光子源、纠缠源，围绕波长、线宽、功率、相干性四个关键参数建立选型判断，并给出可直接对照的参数表与决策思路。
一、先建立参数坐标系
选型不是比谁“更高级”，而是看参数是否匹配实验的物理需求。四个参数各有明确的物理含义：
- 波长：决定与原子/离子跃迁线、光纤低损耗窗口、探测器响应峰值、光学元件镀膜是否匹配。例如铷原子D2线约780 nm，铒离子量子存储常用1530 nm附近，硅单光子探测器峰值约在600～800 nm。
- 线宽：决定相干时间与频率选择能力。相干时间近似为 τc ≈ 1/(πΔν)。线宽1 MHz对应约0.3 μs相干时间，而100 Hz线宽可对应毫秒量级，直接影响能否分辨窄跃迁、能否做长基线的干涉。
- 功率：决定激发速率与信噪比，但要注意平均功率与峰值功率的区别。脉冲源的峰值功率可达平均功率的成千上万倍，非线性效应与多光子过程主要看峰值。
- 相干性：分空间相干性（光束质量、单横模）与时间相干性（线宽、频率稳定度）。单光子源的“相干性”还涉及不可分辨性，即两个光子能否在分束器上发生干涉。
二、连续波与脉冲激光器：两种时间结构
连续波（CW）激光器输出功率稳定、线宽可做得很窄，适合连续激发、稳频锁频、腔QED长时间测量、原子冷却与俘获等场景。典型如外腔半导体激光器（ECDL），线宽可压到100 kHz量级，配合锁频环路可进一步稳定到Hz级；掺铒光纤激光器在1550 nm波段功率可达数十至数百毫瓦，适合光纤量子通信。CW的短板是难以定义精确的“到达时刻”，做时间关联测量时需外加声光或电光调制器切出光脉冲。
脉冲激光器以重复频率和脉宽为核心参数。钛蓝宝石飞秒激光器脉宽可到几十飞秒、重复频率约80 MHz，经非线性晶体或光子晶体光纤可产生超连续谱，是量子纠缠制备中常用的泵浦源；锁模光纤激光器更紧凑、免维护，适合工程化系统。脉冲源的关键权衡是：脉宽越短，频谱越宽（傅里叶变换极限），若实验需要窄线宽激发单一跃迁，就必须用窄带滤波或改用皮秒/纳秒源。此外，同步精度决定多光子干涉能否发生——两个独立脉冲源若没有共同时钟，光子到达时间抖动会直接抹掉干涉可见度。
三、单光子源：按需与预报之分
单光子源的核心指标不是功率，而是单光子纯度。常用判据是二阶关联函数 g²(0)：理想单光子源 g²(0)=0，实测 g²(0)<0.5 即证明光源以单光子为主。工程上常用参量下转换（SPDC）的预报单光子源：泵浦光打非线性晶体产生信号-闲频光子对，探测闲频光子作为“预报”信号，信号光子即为预报单光子。这种方式成熟、波长可调，但本质是概率性的，且存在多光子污染，g²(0)通常在0.01～0.1量级。
另一类是确定性单光子源，如量子点、金刚石NV色心、单分子。量子点嵌入微腔后可实现高效率、近确定性的单光子发射，g²(0)可低至0.01以下，且发射带宽较窄、可与腔模匹配，适合片上集成与自旋-光子纠缠。代价是需要低温（多数量子点工作在4～10 K）、样品制备复杂、波长由材料决定不易调。选型时要问三个问题：是否需要按需触发？是否要求与特定波长/线宽匹配？系统是否允许低温与真空环境？
四、纠缠源：SPDC为主流，指标看保真度与亮度
纠缠源最常用的是自发参量下转换：泵浦光子经II型或0型相位匹配晶体（如BBO、PPKTP）分裂为纠缠光子对。II型SPDC产生偏振纠缠，0型配合Sagnac环可产生偏振或时间-bin纠缠，PPKTP波导则显著提高亮度与收集效率。评价纠缠源的关键指标包括：纠缠保真度（对Bell态，通常要求>0.9，超过0.707即违反Bell不等式）、符合计数率（亮度）、 heralding效率、以及纠缠在传输后的退化程度。
实际搭建时，泵浦功率并非越高越好：功率升高会同时增加多光子对概率，导致符合计数中混入偶然符合，保真度下降。通常用符合计数与偶然符合比（CAR）来监控，CAR大于10是较健康的起点。此外，晶体的相位匹配温度、泵浦偏振、滤波片带宽都会影响纠缠质量，需要逐项标定。
五、参数对照与选型示例
把上述内容压缩成一张可对照的表，便于在方案评审时快速定位：
| 光源类型 | 典型波长 | 线宽/带宽 | 功率量级 | 相干性要点 | 典型场景 |
|---|---|---|---|---|---|
| CW 半导体/光纤激光器 | 780 nm、1550 nm | 100 kHz～MHz | 10 mW～数百 mW | 相干时间长，可锁频至Hz级 | 原子冷却、腔QED、稳频 |
| 飞秒/皮秒脉冲激光器 | 800 nm 及倍频/超连续 | fs～ps 对应宽谱 | 平均百 mW，峰值 kW 以上 | 需共时钟保证到达时刻 | SPDC泵浦、多光子干涉 |
| 预报单光子源（SPDC） | 按晶体设计，可见～ telecom | 滤波后 nm 级 | 单光子级 | g²(0) 0.01～0.1 | 量子密钥分发、HBT测试 |
| 量子点单光子源 | 由材料决定，约900～950 nm | 数十 GHz 量级 | 单光子级，可高重复率 | g²(0) < 0.01，不可分辨性可调 | 片上集成、自旋-光子纠缠 |
| SPDC 纠缠源 | 405 nm 泵浦→810 nm 光子对 | 滤波后 nm 级 | 符合率 kHz～MHz | 保真度 > 0.9，CAR > 10 | Bell 测试、量子隐形传态 |
举一个教学示例（参数为合理假设，非实测）：某实验需要制备810 nm偏振纠缠光子对并做Bell不等式测试。泵浦选405 nm CW二极管激光器，经单模光纤耦合进PPKTP晶体，晶体温度稳定在25.0 ℃附近做0型准相位匹配，泵浦功率先设在5 mW。输出端用810 nm窄带滤波片（带宽3 nm）抑制泵浦残留，两个单光子探测器接符合电路。调节泵浦功率从1 mW升到10 mW，观察符合计数率与偶然符合：若CAR从约30降到约8，说明多光子污染已明显，应回退到CAR大于10的功率点，再微调晶体温度使符合计数最大。这个“先定波长匹配、再定功率上限、最后标定纠缠质量”的顺序，比盲目追求高亮度更可靠。
总结选型逻辑：先由物理目标锁定波长与线宽，再由时间结构决定CW还是脉冲，再由单光子纯度或纠缠保真度决定源的类型，最后用功率与监控量（g²(0)、CAR、保真度）做现场标定。四个参数不是并列的清单，而是一条有先后顺序的约束链——波长不匹配，后面全部作废；时间结构不对，干涉就做不出来；纯度与保真度不达标，量子优势就无从谈起。