Kvantfysiker förlitar sig på kvantavkänning som en mycket attraktiv metod för att komma åt spektralregioner och upptäcka fotoner (små ljuspaket) som generellt är tekniskt utmanande. De kan samla in provinformation i det spektrala området av intresse och överföra detaljerna via biphotonkorrelationer till ett annat spektralområde med mycket känsliga detektorer. Arbetet är särskilt fördelaktigt för terahertz -strålning utan halvledardetektorer, där fysiker måste använda koherenta detekteringsscheman eller kryogeniskt kylda bolometrar istället. I en ny rapport om Vetenskapliga framsteg , Mirco Kutas och ett forskargrupp vid avdelningarna för industriell matematik och fysik i Tyskland beskrev den första demonstrationen av kvantavkänning i terahertz -frekvensområdet. Under experimenten, terahertz -frekvenser interagerade med ett prov i ledigt utrymme och gav information om provtjockleken genom att detektera de synliga fotonerna. Teamet erhöll mätning av skikttjocklek med terahertz -fotoner baserade på biphotoninterferens. Eftersom förmågan att mäta skikttjocklek icke-destruktivt är av stor industriell relevans, Kutas et al. räkna med att dessa experiment är ett första steg mot industriell kvantavkänning.

Kvantavkänning och avbildning är ett populärt system för infraröda mätningar med hjälp av ett par korrelerade synliga och infraröda fotoner. Forskargrupper hade tidigare demonstrerat den allmänna principen för kvantavkänning i terahertz-frekvensområdet med hjälp av en enkristallinterferometer i Youngs konfiguration för att mäta absorptionen av en periodiskt polerad litiumniobatkristall (PPLN), inom terahertz -frekvensområdet. I det nuvarande arbetet, Kutas et al. genererade terahertz (tomgång) fotoner med spontan parametrisk nedkonvertering (SPDC) med hjälp av pumpfoton vid 660 km för att generera signalfoton vid en våglängd på cirka 661 nm - mycket nära spektra pumpens våglängd. För att testa genomförandet av kvantavkänning vid rumstemperatur, laget analyserade först teoretiskt konceptet för en enkristall kvantinterferometer.

I teorin, installationen innehöll en pumpstråle, som belyste en olinjär kristall för att skapa par av signal (er) och lediga (i) fotoner. Kutas et al. baserade sin teoretiska process på en tidigare studie. I de vanliga SPDC -experimenten (spontan parametrisk nedkonvertering) är ingångslägena i ett vakuumläge. Dock, i föreliggande arbete fick den lilla energin hos tomgångsfotonerna i terahertz -intervallet betydande bidrag från termiska fluktuationer för att vara i ett termiskt tillstånd. Under experimentet, laget förväntade sig att separera pumpen och signalfotoner från lediga fotoner för att interagera med objektet för att den resulterande strålningen ska reflekteras och kopplas tillbaka till kristallen. De illustrerade den förväntade interferensen från modellen för att dra slutsatsen att ett interferensmönster kan förväntas i närvaro av termiska fotoner för nedkonvertering (när signal- och tomgångsfälten har en lägre frekvens än pumpen) samt för uppkonvertering .

Den nuvarande experimentella installationen baserades också på en tidigare presenterad installation-utvidgad till en Michelson-liknande enkristall kvantinterferometer. Forskarna använde en 660 nm frekvensdubblad halvledarlaser som pumpkälla och kopplade fotonerna till interferometern med hjälp av volym Bragg-galler (VBG). För det olinjära mediet, de valde en 1 mm lång PPLN (periodiskt polerad litiumniobat) kristall med en polningsperiod på 90 µm för att generera synliga (signal) fotoner och tillhörande (tomgång) fotoner i terahertz frekvensområdet. Bakom kristallen, forskarna placerade ett indiumtennoxidbelagt glas för att separera tomgångsfotonerna från pumpen och signalfotoner. De fokuserade sedan direkt på pumpen och signalerar strålning tillbaka in i kristallen med hjälp av en konkav spegel.

Eftersom brytningsindexet för litiumniobat (LiNbO ₃ ) i terahertz -frekvensområdet ledde till en stor spridningsvinkel för tomgångsstrålningen, de kollimerade denna strålning med en parabolisk spegel och reflekterade tomgångsstrålningen vid en plan spegel placerad på ett piezoelektriskt linjärt stadium. Efter två passager genom kristallen kollimerade de pumpen och signalstrålarna och filtrerade pumpfotonerna med hjälp av tre VBG:er som fungerade som mycket effektiva och smalbandiga hackfilter. Teamet använde en okyld vetenskaplig komplementär metalloxidhalvledarkamera (sCMOS) som en detektor. Signalfotonerna i installationen kan genereras antingen genom SPDC (spontan parametrisk nedkonvertering) eller genom att omvandla de termiska fotonerna i terahertz -frekvensområdet. Signalintensiteten berodde linjärt på pumpeffekten som tillät experimentet att utföra i regionen med låg förstärkning.

Forskarna observerade störningen av signalfotonerna i Stokes- och anti-Stokes-regionerna-matchande den simulerade störningssignalen. Motsvarande snabba Fouriertransformationer (FFT) visade en topp under båda fallen i förhållande till fasmatchningsförhållandena. Bullret från de inspelade data beror på laserfluktuationer och bruset från kameran. För att avgöra att störningen orsakades av terahertz -fotoner som sprider sig längs tomgångsbanan, de placerade ett indiumtennoxidglas mellan den paraboliska och plana spegeln, som blockerade terahertz -strålning, samtidigt som det möjliggör överföring av synligt ljus.

För att sedan visa terahertz kvantavkänning, Kutas et al. mätte tjockleken på en mängd olika polytetrafluoretylen (PTFE) plattor - placerade i tomgångsbanan med en maximal tjocklek av 5 mm. På grund av brytningsindexet för PTFE, banans optiska längd ändrades och de observerade störningshöljet vid olika stadier. Bortsett från skiftet, interferensens synlighet minskade i närvaro av PTFE -plattan. Teamet upptäckte plattans tjocklek genom att uppskatta deras brytningsindex med hjälp av ett standardtidsdomenspektroskopi (TDS) -system. Baserat på brytningsindex och förskjutning av interferenssignalen beräknade de skikttjockleken. Resultaten visade att kvantinterferensen med tomgångsfotoner i terahertz -frekvensområdet gjorde det möjligt för fysikerna att bestämma skikttjockleken på prover i terahertz -vägen via kvantavkänning.

På det här sättet, Mirco Kutas och kollegor observerade kvantinterferens i terahertz -frekvensområdet med förökning av terahertz -fotoner i ledigt utrymme, inom Stokes- och anti-Stokes-regionerna. De visade förmågan att använda denna teknik för att bestämma tjockleken på en mängd olika PTFE-regioner som proof-of-concept-applikationer inom terahertz-frekvensområdet. Även om mättiden och upplösningen inte kan jämföras med klassiska terahertz -mätscheman, konceptet som presenteras här är en första milstolpe mot terahertz kvantbildning.

© 2020 Science X Network