![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
В проекте исследуются пучки-близнецы (пучки с коррелированными числами фотонов) с новыми свойствами и их применение. Будут рассматриваться бифотоны и пучки-близнецы, получаемые при параметрическом рассеянии света как с низким, так и с высоким коэффициентом параметрического усиления в двух режимах: сильно невырожденном, когда одна из частот бифотонной пары попадает в терагерцовый диапазон спектра, и вырожденном, при котором частоты двух пучков одинаковы. Для макроскопических квантовых состояний оптического диапазона будут исследованы новые задачи, связанные с формированием предельно коррелированных во времени широкополосных двухфотонных волновых пакетов. Актуальность этих новых исследований связана с дальнейшим развитием квантовой информации и уникальными возможностями применения таких полей в квантовой метрологии, литографии и импульсной спектроскопии. В терагерцовом диапазоне частот до сих пор не проводились исследования каких-либо методов генерации электромагнитного излучения в квантовых состояниях. В проекте впервые будет исследована возможность наблюдения корреляции чисел квантов ниже уровня дробового шума для пучков видимого и терагерцового диапазона, излучаемых при параметрическом рассеянии света. Будут определены требования к условиям эксперимента, исследованы возможности достижения высокого коэффициента параметрического усиления в режиме параметрической сверхлюминесценции, проведены эксперименты по выбору геометрии параметрического взаимодействия в нелинейно-оптических кристаллах для оптимизации условий генерации и детектирования холостых фотонов терагерцового диапазона частот.
The project is aimed at the study of twin-beams (beams with photon-number correlation) with novel properties, and their applications. We shall consider biphotons and twin-beams generated under the parametric down-conversion in low-gain and high-gain modes. Two following regimes are to be studied: a) a strongly non-degenerate one, when one photon’s frequency hits the terahertz spectral range, and b) a degenerate one, when both photons are of the same frequency. New challenging problems are to be addressed in the field of macroscopic quantum states in the optical range. Namely, we shall study the creation of broadband two-photon wave packets with extreme temporal correlation. Relevance of these novel pieces of research is due to the further advances in the field of quantum information, and to the unique potential of such fields for applications in quantum metrology, lithography, and pulsed spectroscopy. Until now, no research has been carried out for any method for generating the terahertz-frequency electromagnetic radiation in quantum states. In this project the possibility will be investigated for the first time of observing the number of quanta correlation below the shot noise level for optical-terahertz beams generated under the parametric down-conversion. The requirements will be determined on the experimental conditions. The possibilities will be investigated for achieving the high parametric gain coefficient in the parametric superradiance regime. The experiments will be conducted aimed at the choice of the geometry of parametric interaction in nonlinear-optical crystals to optimize the conditions of generation and detection of idler photons of the terahertz frequency range.
1. Будет построено единое теоретической описание процессов генерации волновых пакетов коррелированных фотонов с предельно коротким временем корреляции (~100фс), при широкополосном параметрическом рассеянии света в чирпированных (апериодически поляризованных) кристаллах с последующей временной компрессией импульсов в волноводных и иных устройствах. Будут определены условия эксперимента по характеризации квантового сжатия в условиях временной компрессии бифотонов. Будет проведена оценка влияния числа мод на эти эксперименты. 2. Будет разработана и апробирована экспериментальная схема приготовления пучков-близнецов с широким спектром и сверхкоротким временем корреляции, определены оптимальные параметры лазерной накачки, апериодически поляризованных доменных структур и модулей временной компрессии для различных частотных диапазонов. 3. Будет проведен расчет корреляционных функций высших порядков для полей оптических и терагерцовых частот, рождающихся при параметрическом рассеянии света на поляритонах, в зависимости от дисперсионных параметров, поглощательной способности и температуры кристалла, с учетом коллинеарных и неколлинеарных геометрий рассеяния. 4. Будут экспериментально определены оптимальные условия генерации и детектирования пучков фотонов терагерцового диапазона частот, коррелированных с фотонами сигнального излучения при параметрическом рассеянии света. 5. Будут развиты методы спектроскопии диэлектрической проницаемости сред и энергетических параметров источников излучения в терагерцовом диапазоне, основанные на эффекте параметрического рассеяния света.
Исполнители проекта являются последователями первой российской квантово-оптической школы, создававшейся начиная с конца 1970-х. Участниками проектабыли выполнены пионерские работы по генерации поляризованных бифотонов-кутритов, являющихся аналогами пучков с обобщенным сжатием. Была продемонстрирована ортогональность таких состояний и проведены эксперименты по их томографии. Был рассмотрен переход от режима спонтанного параметрического рассеяния к режиму параметрической сверхлюминесценции. Было показано, что при этом технику регистрации совпадений фотоотсчетов следует заменить на технику измерения дисперсии разностного сигнала. Было проведено сравнение обоих методов и разработаны приемы для детектирования многомодового сжатого вакуума. Пользуясь разработанными методами, были проведены эксперименты по генерации произвольного типа поляризационно-сжатого вакуума. В 2014-2015 гг. участниками была выполнена серия работ по приготовлению яркого сжатого вакуума с заданным модовым составом. Для формирования пространственного спектра излучения использовалась схема генерации с двумя пространственно разделенными кристаллами, а для формирования временного спектра – схема с нелинейным интерферометром, включающим диспергирующую среду. Кроме того, для яркого сжатого вакуума наблюдался аналог эффекта Хонга-Оу-Манделя, позволяющий определить как время когерентности, так и длительность импульса. Вместе с методами, разработанными коллективом ранее для характеризации спектральных свойств яркого сжатого вакуума, эти работы составляют научный задел для исследования сверхкоротких волновых пакетов коррелированных фотонов. Исследования в области генерации и детектирования терагерцовых волн ведутся в группе участников с 2004 года. Опубликованы результаты диагностики терагерцового отклика кристаллов с периодически поляризованной структурой, наведенной как непосредственно в процессе роста, так и методикой послеростовой переполяризации кристалла в электрическом поле.
1. Генерация оптических пучков-близнецов со сверхкороткими временами квантовой корреляции. Теоретически рассчитана и экспериментально продемонстрирована генерация оптических пучков-близнецов со сверхкороткими временами квантовой корреляции от 90 фемтосекунд. Генерация ярких коррелированных пучков-близнецов с ширинами спектра сигнальных и холостых фотонов 35-40 ТГц осуществлена в процессе параметрического рассеяния света в режиме высокого усиления в апериодически поляризованном кристалле ниобата лития с квадратично-гиперболической зависимостью вектора доменной решетки от координаты. Показано, что данный вид пространственной модуляции квадратичной восприимчивости кристалла, обеспечивающий компенсацию высших дисперсионных порядков фазового чирпа при генерации сжатого вакуума, позволяет достичь существенного сужения временной корреляционной функции без применения дополнительных модулей для компенсации расстройки групповых скоростей сигнальных и холостых фотонов в нелинейном кристалле. Разработана и реализована схема высокоскоростного коррелятора на основе эффекта несинхронной генерации суммарной частоты для измерения времен корреляции пучков сигнальных и холостых фотонов с разрешением 10 фс. Теоретически и экспериментально показано, что эффект истощения накачки приводит к уширению спектра пучков-близнецов, рождающихся в процессе параметрического рассеяния в нелинейном кристалле с апериодической доменной структурой с обратно-квадратичным законом изменения вектора обратной решетки. На основании выполненных расчетов показано, что уширение спектра, вызванное эффектом истощения накачки, позволит уменьшить ширину когерентного пика до 40 фс. Впервые реализован широкополосный нелинейный [SU(1,1)] интерферометр на базе двух чирпированных апериодически поляризованных кристаллов ниобата лития, последовательно помещенных в пучок накачки. Продемонстрирована возможность измерения дисперсии групповой скорости волн в прозрачном плоскопараллельном образце, помещенном в интерферометр, по сдвигу интерференционных полос в диапазоне 815-835 нм. Показано, что временной интервал, на который пучки-близнецы обгоняют импульс накачки в процессе их генерации при спонтанном параметрическом рассеянии, в два раза меньше, чем это следовало бы в приближении линейной дисперсии рассеивающей среды. Показано, что нелинейное взаимодействие между различными спектральными компонентами широкополосных пучков-близнецов, рождающихся в кристалле с чирпированной апериодической доменной структурой, приводит к их сложной временной форме, которую необходимо учитывать для оптимизации их дальнейшего взаимодействия во втором нелинейном кристалле. 2. Теория спонтанного параметрического рассеяния света в сильно частотно-невырожденном случае. Корреляционная функция оптико-терагерцовых бифотонов. С применением аппарата обобщенного закона Кирхгофа получены общие выражения для матрицы рассеяния нелинейного кристалла в случаях пространственно-неограниченного и ограниченного гауссовского распределения поля накачки, корреляционных функций первого порядка, описывающих числа сигнальных и холостых фотонов в одной плоской моде и соответствующие мощности потоков излучения, корреляционных функций второго порядка, описывающих относительные корреляции интенсивности сигнального и холостого излучения, а также корреляции показаний узкополосных детекторов соответствующих частот, факторов подавления шума разностного фототока при детектировании полей оптических и терагерцовых частот, рождающихся при параметрическом рассеянии света. Установлены зависимости степени корреляции оптических сигнальных и терагерцовых холостых фотонов от дисперсионных параметров, поглощательной способности и температуры кристалла в условиях многомодового параметрического взаимодействия в пространственно-ограниченном нелинейном объеме, при коллинеарном рассеянии (например, в периодически поляризованных кристаллах ниобата лития и неполяризованных кристаллах со структурой цинковой обманки) и в неколлинеарной геометрии. Для тех частот и размеров объема взаимодействия, при которых поглощение пренебрежимо мало, получено выражение для спектральной амплитуды волновой функции оптико-терагерцовых бифотонов, учитывающее возможный непараксиальный характер геометрии взаимодействия. Показано, что угловой состав коррелированных разночастотных полей существенным образом различается. Полярный угол расходимости длинноволнового холостого излучения, как правило, много больше соответствующего угла расходимости оптического сигнального излучения. Азимутальные углы расходимости при неколлинеарной геометрии зависят от структуры тензора квадратичной восприимчивости и совпадают для взаимодействия типа 0. Определены пути уменьшения углов расходимости холостого излучения за счет увеличения объема нелинейного взаимодействия в кристалле. Предложены подходы для предотвращения потерь при доставке холостых фотонов от кристалла к детектору, связанных с полным внутренним отражением части широкоугольного холостого излучения от граней кристалла. Разработан метод измерения корреляционной функции оптико-терагерцовых полей по показаниям оптических и терагерцовых детекторов аналогового типа, актуальный ввиду текущего отсутствия в мире однофотонных счетчиков и схем совпадения в терагерцовом диапазоне частот. Определены оптимальные нелинейные среды, конструкции сопрягающих элементов, температурные и частотные интервалы для экспериментального наблюдения максимальных значений корреляционной функции второго порядка оптико-терагерцовых полей, генерируемых при частотно-невырожденном параметрическом рассеянии света. Показано, что для достижения высоких значений корреляций необходимо охлаждение кристалла ниже некоторой критической температуры (порядка нескольких градусов Кельвина для кристалла ниобата лития длиной 1 см ), при которой вклад тепловых флуктуаций поля на холостых частотах становится существенно меньше квантовых флуктуаций. Величина критической температуры тем выше, чем меньше поглощение кристаллом холостых волн на заданной терагерцовой частоте, однако падает при уменьшении частоты в терагерцовом диапазоне. Показано, что существует оптимальная частота терагерцового излучения, обеспечивающая для данного кристалла при фиксированной температуре максимум корреляционной функции. Выявлены основные факторы, связанные с быстродействием и чувствительностью терагерцовых детекторов, такие как минимальное число детектируемых продольных мод и минимальная энергия импульса накачки, определяющие экспериментально обнаружимые значения корреляционной функции. 3. Экспериментальная регистрация потоков коррелированных фотонов оптических и терагерцовых частот, генерируемых при спонтанном параметрическом рассеянии света. 3.1 Регистрация «сигнальных» фотонов оптических частот. Разработаны и апробированы экспериментальные схемы наблюдения сигнального излучения оптического диапазона, генерируемого при параметрическом рассеянии в условиях малых (терагерцовых) отстроек от частоты возбуждающего излучения, учитывающие различные варианты структуры спектра источников непрерывной и импульсной накачки. Впервые разработан и реализован метод оптимального подавления излучения полупроводниковых диодных лазеров на входе системы регистрации сигнального излучения параметрического рассеяния и преобразования частоты внешнего терагерцового излучения. Определены условия применимости и показана эффективность использования узкополосных режекторных фильтров на Брэгговских решетках, узкополосных газовых фильтров-поглотителей. Разработаны универсальные методы для аналитических и численных расчетов термооптических параметров и распределения температуры внутри нелинейного кристалла, накачиваемого периодическими лазерными импульсами. Рассчитаны распределения температур при коллинеарных процессах в кристаллах двух противоположных видов – имеющих формы протяженного цилиндра и тонкого диска, а также три варианта неколлинеарной схемы черенковского типа с боковым выведением терагерцового излучения через призменный адаптер. При изменении температуры нелинейного кристалла в широком диапазоне от 300К до 4К экспериментально показано, что температурные зависимости мощности стоксовой и антистоксовой ветвей рассеяния на фононных поляритонах терагерцового диапазона 0.1-7 ТГц хорошо описываются в рамках теоретического подхода, продолжающего метод нелинейного обобщенного закона Кирхгофа. При низких температурах вблизи 4 К впервые продемонстрировано полное исчезновение антистоксовой ветви (при одновременном наблюдении стоксовой ветви сигнала), свидетельствующее о существенном подавлении классических тепловых флуктуаций и доминирующем вкладе квантовых флуктуаций электромагнитного поля в процесс параметрического рассеяния света при данных температурах. 3.2 Регистрация «холостых» фотонов терагерцовых частот. Разработаны экспериментальные схемы регистрации холостого излучения терагерцового диапазона, генерируемого при параметрическом рассеянии с накачкой от импульсно-периодического твердотельного лазера на длинах волн 1.053 мкм и 0.523 мкм с пиковой мощностью до 80 кВт. Впервые проведена прямая регистрация излучения параметрического рассеяния на терагерцовых частотах, генерируемого в условиях предельно низких коэффициентов параметрического усиления в нелинейном кристалле. Впервые показана возможность прямой экспериментальной регистрации мощности терагерцового холостого излучения, генерируемого при параметрическом рассеянии света в условиях предельно низкого коэффициента параметрического усиления – вплоть до 0.25. Это соответствует рекордно низким экспериментально зарегистрированным потокам фотонов терагерцовой частоты, с яркостью, соответствующей в квантовых единицах величине менее 1 фотон/мода. Впервые измерено угловое распределение холостого терагерцового излучения, генерируемого при параметрическом рассеянии света в сильно частотно-невырожденном режиме. Показана эффективность перехода на более высокочастотную накачку с целью увеличения корреляционной функции оптико-терагерцовых бифотонов путем снижения коэффициента параметрического усиления в условиях ограниченной чувствительности терагерцового детектора. Экспериментально продемонстрирована возможность работы в режиме спонтанного параметрического рассеяния света с рекордно низкими для терагерцового диапазона холостых волн значениями коэффициента усиления. 3.3 Регистрация корреляций полей оптических и терагерцовых частот. Разработана, создана и апробирована экспериментальная установка для прямых измерений корреляционных свойств оптико-терагерцовых бифотонов, генерируемых при параметрическом рассеянии света в кристаллах Mg:LiNbO3, охлажденных до температур 4.5 – 5 К, под действием накачки от второй гармоники импульсного Nd:YLF - лазера на длине волны 523.25 нм. Детектирование холостых фотонов в пределах выделенной полосы терагерцовых частот в установке производится с помощью сверхпроводникового болометра на горячих электронах, фотонов сигнального излучения на сопряженных частотах видимого диапазона – с помощью фотоэлектронного умножителя; данные обоих приемников обрабатываются в стробируемых интеграторах тока последовательно для интервалов времени детектирования, соответствующих каждому импульсу накачки, и передаются на компьютер. Нормированная корреляционная функция генерируемого оптико-терагерцового бифотонного поля определяется по результатам статистической обработки полного пакета переданных данных с помощью разработанной специализированной программы. Показано, что статистические распределения показаний в каждом канале хорошо аппроксимируются пуассоновскими зависимостями со средними значениями чисел однофотонных импульсов, возрастающими по мере увеличения коэффициента параметрического усиления. Впервые в мире проведены измерения нормированной корреляционной функции второго порядка для оптико-терагерцовых бифотонов и зарегистрировано превышение ее величины над классическим пределом. Величина превышения, измеренная для частоты холостой волны 2 ТГц, находится в полном согласии с развитой теорией. Сформирована программа дальнейшего усовершенствования установки для перехода на более низкие частоты и увеличения значений наблюдаемых корреляций путем снижения числа пространственных и частотных мод детектирования в каждом канале и увеличения отношения сигнал/шум при детектировании сигналов как оптического, так и терагерцового трактов. 4. Квантовая калибровка яркости источников излучения терагерцовых частот. Экспериментально продемонстрирован и исследован нелинейно-оптический метод прямого детектирования терагерцового излучения, впервые - в условиях непрерывной оптической накачки малой мощности в режиме слабого усиления, необходимом для выполнения квантовой калибровки по сигналу спонтанного параметрического рассеяния. Определены зависимости фактора заполнения мод от частоты и конфигурации схемы параметрического взаимодействия. Получены теоретические соотношения, связывающие угловое распределение спектральной чувствительности нелинейно-оптического терагерцового детектора некогерентного типа с параметрами параметрического преобразователя частоты в случае пространственно-ограниченного сечения накачки с гауссовским профилем. Показано, что многомодовый характер параметрического преобразования в пространственно-ограниченном нелинейном объеме приводит к большим угловым апертурам как холостого излучения, генерируемого при спонтанном параметрическом рассеянии в условиях, максимально удаленных от частотного вырождения, так и большим входным угловым апертурам нелинейно-оптического терагерцового детектора - от единиц до десятков градусов и выше. Показано, что для получения более высокого пространственного разрешения детектора, а также достижения более высокой точности его квантовой калибровки, неколлинеарная схема параметрического взаимодействия является более предпочтительной по сравнению с коллинеарной. 5. Нелинейные оптико-терагерцовые интерферометры. Параметрическое рассеяние света (включая режим высокого усиления) в сильно частотно-невырожденном случае. Разработана схема нелинейного интерферометра Маха-Цандера с трехволновой интерференцией, основанная на двух нелинейных кристаллах ниобата лития, разделенных кристаллической прослойкой. Экспериментально продемонстрирована возможность применения схемы нелинейного интерферометра Маха-Цандера для измерения дисперсии диэлектрической проницаемости и показателя преломления материалов в терагерцовом диапазоне. Разработан теоретический подход, позволяющий описывать пространственные свойства и корреляции фотонов в сильно невырожденном режиме параметрического рассеяния при произвольном, в том числе высоком коэффициенте параметрического усиления, базирующийся на введении пространственных мод Шмидта. Разработан метод селективного выделения различных пространственных мод сжатого терагерцового и оптического излучения, генерируемого в процессе частотно-невырожденного параметрического рассеяния в схеме с нелинейным интерферометром, основанный на подсветке оптического канала в нужной моде Шмидта с одновременным усилением терагерцового сжатого света в сопряженной пространственной моде. 6. Взаимовлияние процессов генерации суммарных и разностных частот в сильно невырожденном по частоте режиме. Разработан теоретический подход для анализа взаимовлияния процессов параметрического рассеяния в сильно невырожденном режиме и генерации суммарной частоты за счет наличия общих пространственных терагерцовых мод. Получены решения для эволюции фотонных операторов в модах Шмидта и пространственные распределения сигналов. Обнаружены сильные корреляции между генерируемыми стоксовыми и антистоксовыми компонентами по азимутальному углу. На основе обнаруженных корреляций предложен способ получения информации о характеристиках неклассического терагерцового излучения. Продемонстрировано, что информацию о фотонной статистике и квадратурном сжатии генерируемого терагерцового излучения можно получить на основе измерения двухчастичных распределений по числу фотонов для стоксовых и антистоксовых компонент. 7. Разработаны принципиальные схемы и созданы действующие макеты экспериментальных установок для измерения спектральной яркости, статистических распределений и корреляционных характеристик холостого излучения терагерцовых частот и сигнального излучения сопряженных оптических частот, генерируемых при параметрическом рассеянии в условиях лазерной накачки импульсами наносекундной и пикосекундной длительности. Предложены методы оптимизации числа детектируемых продольных и поперечных мод излучения, связанных условиями сильно частотно-невырожденного параметрического взаимодействия. 8. Разработаны методики и программный комплекс для измерения параметров неклассичности коррелированных потоков фотонов оптических и терагерцовых частот: нормированной корреляционной функции оптико-терагерцовых бифотонов, фактора подавления шума разностного фототока аналоговых детекторов сигнального и холостого излучения. Экспериментально определен характер изменения этих величин при различных значениях коэффициента параметрического усиления. Разработаны 2 способа дискриминации шумовых показаний аналоговых детекторов, которые могут успешно применяться при измерении корреляции токов сигнальных и холостых детекторов. Показано, что лучшую точность определения нормированной корреляционной функции второго порядка дает способ условной дискриминации, реализуемый при использовании однофотонного детектора в схеме регистрации сигнального оптического излучения. Этот способ может успешно применяться при измерении абсолютных значений квантовой эффективности детекторов. Второй разработанный способ – способ независимой пороговой дискриминации, позволяет регистрировать добавки к корреляционной функции бифотонного поля второго порядка за счет более высоких корреляционных моментов поля. Этот способ дискриминации перспективен в приложениях квантовой сенсорики и визуализации, ориентированных на измерение относительного уровня квантовой корреляции при воздействии внешних факторов в терагерцовом диапазоне частот. 9. На основе анализа статистических распределений показаний терагерцового болометра показано, что полученные экспериментальные распределения хорошо аппроксимируются функцией, являющейся сверткой пуассоновского распределения, описывающего статистику фотодетектирования отдельных терагерцовых фотонов, с гауссовой функцией, описывающей разброс значений показаний болометра при регистрации одиночного фотона. Показано, что аппроксимация экспериментальных гистограмм показаний болометра при помощи этой функции позволяет определить среднее значение показаний болометра, соответствующих детектированию одного фотона, и среднее число терагерцовых фотонов, регистрируемых болометром за время строба аналоговой схемы детектирования. 10. Развит теоретический метод диагонализации оператора нелинейного взаимодействия в случае сильно невырожденного параметрического рассеяния света, учитывающего тензорный характер квадратичной восприимчивости нелинейного кристалла. Для диагонализованного оператора взаимодействия найдены решения уравнений эволюции операторов рассеянного поля, позволяющие записать матрицу рассеяния при произвольных коэффициентах параметрического усиления. Для схемы параметрического рассеяния в кристалле ниобата лития найдены угловые зависимости собственных азимутальных мод рассеянного излучения при различных значениях частоты холостого терагерцового излучения. Найдены собственные значения азимутальных мод, позволяющие найти эффективное число мод при различных значениях частоты терагерцового излучения и при различных коэффициентах параметрического усиления. Показано, что с ростом частоты терагерцового излучения эффективное число мод растет, а угловая ширина каждой моды уменьшается. Показано, что рост эффективного числа мод с ростом частоты холостого терагерцового излучения приводит к тому, что чем выше эта частота, тем больше требуется интенсивность накачки для перехода к вынужденному режиму рассеяния. С помощью матрицы рассеяния, имеющей диагональный вид в базисе азимутальных собственных мод, рассчитаны величины нормированной корреляционной функции интенсивностей (g2) сигнального оптического и холостого терагерцового излучения, рассеянных под разными углами, а также фактор подавления шума (NRF), выражающийся через дисперсию разности чисел фотонов. Показано, что для получения высоких значений g2, свидетельствующих о неклассической статистике оптико-терагерцового излучения, следует использовать как можно более малые угловые апертуры детекторов для уменьшения эффективного числа мод, регистрируемых детекторами. В то же время, для получения низких значений NRF, также свидетельствующих о неклассической статистике излучения, следует использовать как можно более большие и при этом одинаковые угловые апертуры детекторов по азимутальным углам во избежание потерь фотонов, принадлежащих сопряженным модам. 11. Предложен и экспериментально продемонстрирован анализ температурных зависимостей угловых распределений интенсивности сигнальных волн в оптическом диапазоне, позволяющий количественно определить изменение корреляционной функции оптико-терагерцовых бифотонов и общего числа холостых фотонов, генерируемых при спонтанном параметрическом рассеянии в терагерцовом диапазоне, при охлаждении кристалла, а также отдельно изучить поведение вкладов классических тепловых и непосредственно квантовых флуктуаций поля в эти параметры. 12. Разработана методика безэталонного определения квантовой эффективности аналоговых фотодетекторов, являющаяся развитием метода Д.Н.Клышко безэталонной калибровки фотодетекторов счетного типа. Методика апробирована на примере фотодетекторов оптического диапазона, регистрирующих бифотонные состояния поля, рассеянного в процессе почти вырожденного параметрического рассеяния света. Разработаны способы дискриминации шумов аналоговых детекторов, использующие возможность аппроксимации распределений показаний детекторов функцией распределения, являющейся сверткой пуассоновского и гауссовского распределений. Предложенную методику планируется использовать для калибровки сверхпроводящего болометра и других детекторов излучения терагерцового диапазона.
грант РНФ |
# | Сроки | Название |
1 | 5 мая 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Генерация квантово-коррелированных состояний излучения в терагерцовом и видимом частотных диапазонах |
Результаты этапа: 1. Теоретически рассчитана и экспериментально продемонстрирована возможность получения ярких коррелированных пучков-близнецов со временем корреляции 90 фемтосекунд. Оптические пучки-близнецы с ширинами спектра сигнальных и холостых фотонов 35-40 ТГц были сгенерированы в процессе параметрического рассеяния света в режиме высокого усиления в апериодически поляризованном кристалле ниобата лития с квадратично-гиперболической зависимостью вектора доменной решетки от координаты. Показано, что данный вид пространственной модуляции квадратичной восприимчивости кристалла, обеспечивающий компенсацию высших дисперсионных порядков фазового чирпа при генерации сжатого вакуума, позволяет достичь существенного сужения временной корреляционной функции без применения дополнительных модулей для компенсации расстройки групповых скоростей сигнальных и холостых фотонов в нелинейном кристалле. Показано, что число фотонов в широкополосных пучках-близнецах экспоненциально растет с увеличением мощности накачки. Разработана и реализована схема высокоскоростного коррелятора на основе эффекта несинхронной генерации суммарной частоты для измерения времен корреляции пучков сигнальных и холостых фотонов с разрешением 10 фс. 2. Получены общие выражения для зависимостей элементов матрицы рассеяния нелинейного кристалла, чисел фотонов в сигнальных и холостых модах, а также корреляционных функций оптико-терагерцовых бифотонов, генерируемых при спонтанном параметрическом рассеянии в сильно частотно-невырожденном режиме. Расчеты проведены как для коллинеарного, так и неколлинеарного взаимодействия волн, с учетом возможного поглощения холостых волн терагерцового диапазона в кристалле, а также с учетом ограниченности объема взаимодействия: в продольном направлении - за счет длины кристалла и длины пробега холостых волн, в поперечном – за счет гауссовского распределения поля накачки. Для тех частот и размеров объема взаимодействия, при которых поглощение пренебрежимо мало, получено выражение для спектральной амплитуды волновой функции оптико- терагерцовых бифотонов, учитывающее непараксиальный характер геометрии взаимодействия. 3. Получены теоретические соотношения, связывающие угловое распределение спектральной чувствительности нелинейно-оптического терагерцового детектора некогерентного типа с параметрами параметрического преобразователя частоты в случае пространственно-ограниченного сечения накачки с гауссовским профилем. Показано, что многомодовый характер параметрического преобразования в пространственно-ограниченном нелинейном объеме приводит к большим угловым апертурам как холостого излучения, генерируемого при спонтанном параметрическом рассеянии в условиях, максимально удаленных от частотного вырождения, так и большим входным угловым апертурам нелинейно-оптического терагерцового детектора - от единиц до десятков градусов и выше. При этом направленность соответствующего оптического сигнального излучения остается высокой. Фактор возможного неполного заполнения входных рабочих мод преобразователя измеряемым внешним излучением должен учитываться при абсолютной калибровке чувствительности детектора по сигналу параметрического рассеяния. На основании численных расчетов определены частотные зависимости апертур азимутальных и полярных углов терагерцовых волн для различных значений параметров профиля лазерной накачки и длин кристаллов-преобразователей на основе монодоменных и периодически поляризованных Mg:LiNbO3. Показано, что для получения более высокого пространственного разрешения детектора, а также достижения более высокой точности его квантовой калибровки, неколлинеарная схема параметрического взаимодействия является более предпочтительной по сравнению с коллинеарной. 4. Разработаны универсальные методы для аналитических и численных расчетов термо-оптических параметров и распределения температуры внутри нелинейного кристалла, накачиваемого периодическими лазерными импульсами. В качестве примера проведены численные расчеты для ряда лазерных схем импульсно-периодического действия, применяющихся при нелинейно-оптической генерации терагерцовых волн и параметрическом рассеянии в терагерцовом диапазоне частот холостых фотонов. Рассчитаны распределения температур при коллинеарных процессах в кристаллах двух противоположных видов – имеющих формы протяженного цилиндра и тонкого диска, а также в трех вариантах неколлинеарной схемы черенковского типа с боковым выведением терагерцового излучения через призменный адаптер. 5. Разработаны и апробированы экспериментальные схемы наблюдения сигнального излучения оптического диапазона, генерируемого при параметрическом рассеянии в условиях двух вариантов непрерывной лазерной накачки - излучением газового лазера на длине волны 514.5 нм и излучением диодной лазерной системы на длине волны 795 нм. Впервые разработан и реализован метод оптимального подавления излучения полупроводниковых диодных лазеров на входе системы регистрации сигнального излучения параметрического рассеяния и преобразования частоты внешнего терагерцового излучения. Измерены частотно-угловые спектры параметрического рассеяния света на сигнальных частотах, соответствующих терагерцовым частотам холостых волн, в монодоменных и полидоменных кристаллах в режимах фазового синхронизма и квазисинхронизма. Осуществлено некогерентное детектирование внешнего холостого излучения от лампы обратной волны на частотах, перестраиваемых в двух диапазонах: 248-258 ГГц и 158-160 ГГц. Определены зависимости фактора заполнения мод от частоты. 6. Разработана экспериментальная схема регистрации холостого излучения терагерцового диапазона, генерируемого при параметрическом рассеянии с накачкой от импульсно-периодического твердотельного лазера на длине волны 1.053 мкм с пиковой мощностью до 80 кВт. Впервые проведена прямая регистрация излучения параметрического рассеяния на терагерцовых частотах. 7. Подготовлены к печати 4 статьи в изданиях, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science), «Скопус» (Scopus) и РИНЦ: 1) G.Kh. Kitaeva, E.V. Moiseenko, A.V. Shepelev. Temperature variation induced by the pulsed-periodic laser pumping under terahertz wave generation. Laser Physics Letters, v. 14, No. 9, p. 095401 (2017) 2) G.Kh. Kitaeva, V.V. Kornienko. Strongly non-degenerate spontaneous parametric down-conversion for calibration of terahertz-wave detectors. International Journal o f Quantum Information (Manuscript # IJQI-D-17-00167R1, статья принята к публикации) 3) V.V. Kornienko, G.Kh. Kitaeva, F. Sedlmeir, H.G. L. Schwefel. Towards terahertz detection and calibration through spontaneous parametric down-conversion in the terahertz idler-frequency range generated by a 795 nm diode laser system. APL Photonics (Manuscript # APP17-THZ17-0022, under review) 4) M.V. Chekhova, S. Germanskiy, D.B. Horoshko, G.Kh. Kitaeva, M.I. Kolobov, G. Leuchs, Ch.R. Phillips, P.A. Prudkovskii. Broadband bright twin beams and their up-conversion. Optics Letters (Manuscript # 309564, under review) 8. Проведены все мероприятия для заказа по закупке оптического криостата замкнутого цикла на основе крио- рефрижератора RDK-101D и сверхпроводникового болометра HEB 0.3-3 терагерцового диапазона, необходимых для выполнения работ по этапам проекта 2018 г. и 2019 г. Заключен договор (№ 87729082090170004190000) с АО Сконтел. Поставка в декабре 2017 г. 9. Результаты работ доложены и опубликованы в сборниках тезисов следующих конференций: Quantum 2017 From Foundations of Quantum Mechanics to Quantum Information and Quantum Metrology & Sensing (Турин, Италия, 7 -13 мая 2017 г.) Kitaeva G.Kh, Kornienko V.V. Strongly non-degenerate spontaneous parametric down-conversion for calibration of terahertz- wave detectors. XI международный симпозиум по фотонному эхо и когерентной спектроскопии (ФЭКС – 2017, г. Светлогорск Калининградской обл. 16 – 21 cентября 2017 г.) Прудковский П.А., Китаева Г.Х., Кузнецов К.А., Фокин М.С., Брехов К.А., Гришунин К.А., Мишина Е.Д. Коническая неустойчивость в фоторефрактивных кристаллах SPS. 26th Annual International Laser Physics Workshop (Казань, 17-21июля 2017 г.) Chekhova M.V., Germanskiy S., Horoshko D.B., Kolobov M.I., Kitaeva G.Kh, Leuchs G.F., Phillips Ch. Ultrabroadband Twin Beams and Their Up-Conversion. 15th International Conference on Squeezed States and Uncertainty Relations (Jeju, Korea, 28 Aug - 1 Sep 2017) Horoshko D.B., Kolobov M.I., Phillips C.R., Germanskiy S.A., Kitaeva G.Kh, Leuchs G., Chekhova M.V. Generation of monocycle squeezed states of light. CLEO®/Europe-EQEC 2017 the Conference on Lasers and Electro-Optics/Europe and the European Quantum Electronics Conference (25 - 29 June 2017, Munich, Germany) Germanskiy S., Phillips C., Horoshko D.B., Kolobov M., Kitaeva G., Leuchs G., Chekhova M. Generation of few-cycle squeezed light. X Международная конференция молодых ученых и специалистов "Оптика-2017" (Санкт-Петербург, 16 - 20 октября 2017) Новикова Т.И., Корниенко В.В., Китаева Г.Х. Метод нелинейно-оптической несинхронной регистрации терагерцового излучения. | ||
2 | 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Генерация квантово-коррелированных состояний излучения в терагерцовом и видимом частотных диапазонах |
Результаты этапа: 1. Исследованы частотные корреляции в широкополосных «пучках-близнецах», генерируемых в апериодически поляризованных образцах ниобата лития. По сравнению с периодически поляризованным образцом, наблюдалось уширение спектров в 30 раз – с 1.3 ТГц до 40 ТГц, что составляет рекордную величину для частотно-невырожденного параметрического рассеяния. Полученное число Шмидта составило К=40, что является только нижней оценкой. Теоретически и экспериментально показано, что эффект истощения накачки приводит к уширению спектра пучков-близнецов, рождающихся в процессе параметрического рассеяния в нелинейном кристалле с апериодической доменной структурой с обратно-квадратичным законом изменения вектора обратной решетки. Также показано теоретически, что интенсивное истощение накачки в этом случае приводит к независимости интенсивности накачки на выходе из кристалла от ее интенсивности на входе. Рассчитана форма когерентного пика в сигнале суммарной частоты пучков близнецов, показано, что уширение их спектра, вызванное эффектом истощения накачки при их генерации, позволяет уменьшить ширину когерентного пика до 40 фс даже без компенсации фазового набега. 2. Для спонтанного параметрического рассеяния света в сильно частотно-невырожденном режиме рассчитаны а) корреляционные функции первого порядка, описывающие числа сигнальных и холостых фотонов в одной плоской моде и соответствующие мощности потоков излучения, б) корреляционные функции второго порядка, описывающие относительные корреляции интенсивности сигнального и холостого излучения, а также корреляции показаний узкополосных детекторов соответствующих частот, в) факторы подавления шума разностного фототока при детектировании полей оптических и терагерцовых частот, рождающихся в неколлинеарных схемах спонтанного параметрического рассеяния света на поляритонах. Установлены зависимости степени корреляции оптических сигнальных и терагерцовых холостых фотонов от дисперсионных параметров, поглощательной способности и температуры кристалла в условиях многомодового параметрического взаимодействия в пространственно-ограниченном нелинейном объеме. Показано, что угловой (модовый – в терминах плоских мод) состав коррелированных разночастотных полей существенным образом различается. Полярный угол расходимости длинноволнового холостого излучения, как правило, много больше соответствующего угла расходимости оптического сигнального излучения. Азимутальные углы расходимости при неколлинеарной геометрии зависят от структуры тензора квадратичной восприимчивости и совпадают для взаимодействия типа 0. Определены пути уменьшения угла расходимости холостого излучения за счет увеличения объема нелинейного взаимодействия в кристалле. Предложены подходы для предотвращения потерь при доставке холостых фотонов от кристалла к детектору, связанных с полным внутренним отражением части широкоугольного холостого излучения от граней кристалла. 3. Впервые показана возможность прямой экспериментальной регистрации мощности терагерцового холостого излучения, генерируемого при параметрическом рассеянии света в условиях предельно низкого коэффициента параметрического усиления – вплоть до значений порядка 1. Это соответствует рекордно низким экспериментально зарегистрированным потокам фотонов терагерцовой частоты с яркостью 1 фотон на моду. Впервые измерено угловое распределение холостого терагерцового излучения, генерируемого при параметрическом рассеянии света в сильно частотно-невырожденном режиме. Экспериментально определено поведение частотно-угловых спектров интенсивности стоксового и антистоксового рассеяния света на поляритонах терагерцовых частот в области 0.1-7 ТГц при изменении температуры нелинейного кристалла в широком диапазоне от 300К до 4К. При низких температурах вблизи 4 К впервые продемонстрировано полное исчезновение антистоксовой ветви (при одновременном наблюдении стоксовой ветви сигнала), что свидетельствует о существенном подавлении классических тепловых флуктуаций и доминирующем вкладе квантовых флуктуаций электромагнитного поля в процесс параметрического рассеяния света при данных температурах. Измерены температурные зависимости соотношения вкладов от параметрического рассеяния и параметрического усиления теплового шума. 4. Разработана схема нелинейного интерферометра Маха-Цандера с трехволновой интерференцией, основанная на двух нелинейных кристаллах ниобата лития, разделенных кристаллической прослойкой. Получены профили и веса мод Шмидта при различных параметрах интерферометра и обнаружены особенности пространственного распределения и корреляций оптических и терагерцовых фотонов в режиме высокого усиления. Теоретически продемонстрировано существенное ослабление нелинейного сигнала на выходе интерферометра при определенных углах и на определенных частотах за счет эффекта деструктивной интерференции. Продемонстрирована возможность применения схемы нелинейного интерферометра Маха-Цандера для измерения дисперсии диэлектрической проницаемости и показателя преломления материалов в терагерцовом диапазоне. 5. Разработан теоретический подход для описания пространственных свойств и корреляций фотонов, генерируемых при параметрическом рассеянии в сильно невырожденном режиме, основанный на формализме мод Шмидта. Данный подход позволяет описывать пространственные свойства и корреляции фотонов как в спонтанном, так и в вынужденном режимах сильно невырожденного по частоте параметрического рассеяния. Найдена аналитически эволюция операторов фотонов в модах Шмидта и на основе этого вычислены различные характеристики оптико-терагерцовых полей, которые могут быть измерены экспериментально: пространственное распределение нелинейного сигнала, ковариации, характеризующие пространственные корреляции фотонов, и др. В зависимости от длины кристалла и параметров накачки были обнаружены различные режимы, в том числе режим частичного подавления корреляций, характеризующийся только азимутальным перепутыванием фотонов. Данный режим может быть использован для управления и манипулирования азимутальными модами. | ||
3 | 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Генерация квантово-коррелированных состояний излучения в терагерцовом и видимом частотных диапазонах |
Результаты этапа: 1. Показано, что временной интервал, на который пучки-близнецы обгоняют импульс накачки в процессе их генерации при спонтанном параметрическом рассеянии, в два раза меньше, чем это следовало бы в приближении линейной дисперсии рассеивающей среды. Показано, что нелинейное взаимодействие между различными спектральными компонентами широкополосных пучков-близнецов, рождающихся в кристалле с чирпированной апериодической доменной структурой, приводит к их сложной временной форме, которую необходимо учитывать для оптимизации их дальнейшего взаимодействия во втором нелинейном кристалле. Наблюдалась интерференционная структура спектра на выходе нелинейного интерферометра, образованного двумя чирпированными кристаллами ниобата лития, помещенными в общий интенсивный пучок накачки. Таким образом, впервые был реализован широкополосный нелинейный [SU(1,1)] интерферометр на базе чирпированных кристаллов. Продемонстрирована возможность измерения дисперсии групповой скорости волн в прозрачном плоскопараллельном образце, помещенном в интерферометр, по сдвигу интерференционных полос в диапазоне полосы 815-835 нм. 2. Теоретически рассчитана достижимая в реалистичных экспериментальных условиях величина степени корреляции фотонов оптических и терагерцовых частот, генерируемых при параметрическом рассеянии света. Показано, что существует оптимальная частота терагерцового излучения, обеспечивающая для данного кристалла при данной температуре максимум степени корреляции. Показано, что из-за особенностей условия пространственного синхронизма при сильно невырожденном параметрическом рассеянии, оптимальные угловые характеристики детектируемого излучения, обеспечивающие регистрацию сопряженных мод сигнального и холостого излучения, существенно различаются по полярным углам, но при этом приблизительно одного порядка по азимутальным углам. Обнаружено, что большой проблемой, существенно усложняющей регистрацию корреляции оптических и терагерцовых фотонов, является большое число регистрируемых продольных мод терагерцового излучения, уменьшение которого при современных возможностях регистрации терагерцуового излучения представляет собой сложную задачу. Показано, что для достижения высоких значений корреляций необходимо охлаждение кристалла ниже некоторой критической температуры (для кристалла ниобата лития длиной 1 см имеющей величину порядка нескольких градусов Кельвина), при которой вклад тепловых флуктуаций поля на холостых частотах становится существенно меньше квантовых флуктуаций. Величина критической температуры тем выше, чем меньше поглощение кристаллом холостых волн на заданной терагерцовой частоте, однако падает при уменьшении частоты в терагерцовом диапазоне. 3. Разработана, создана и апробирована экспериментальная установка для прямых измерений корреляционных свойств оптико-терагерцовых бифотонов, генерируемых при параметрическом рассеянии света в кристаллах Mg:LiNbO3, охлажденных до температур 4.5 – 5 К, под действием накачки от второй гармоники импульсного Nd:YLF - лазера на длине волны 523.25 нм. Детектирование холостых фотонов в пределах выделенной полосы терагерцовых частот в установке производится с помощью сверхпроводникового болометра на горячих электронах, фотонов сигнального излучения на сопряженных частотах видимого диапазона – с помощью фотоэлектронного умножителя; данные обоих приемников обрабатываются в стробируемых интеграторах тока последовательно для интервалов времени детектирования, соответствующих каждому импульсу накачки, и передаются на компьютер. Нормированная корреляционная функция генерируемого оптико-терагерцового бифотонного поля определяется по результатам статистической обработки полного пакета переданных данных с помощью разработанной специализированной программы. В проведенных измерениях на частоте холостого излучения 2 ТГц впервые зарегистрировано превышение нормированной корреляционной функции оптико-терагерцовых бифотонов над классическим пределом. Проведенный анализ возможности управления режимом параметрического рассеяния и уменьшения коэффициента параметрического усиления за счет изменения характеристик экспериментальной установки показал эффективность перехода на более высокочастотную накачку при необходимости сохранения минимального уровня мощности детектируемого терагерцового излучения. Экспериментально продемонстрирована возможность работы в режиме спонтанного параметрического рассеяния света с рекордно низкими для терагерцового диапазона холостых волн значениями коэффициента усиления (до 0.25). Сформирована программа дальнейшего усовершенствования установки для увеличения значений наблюдаемых корреляций путем снижения числа пространственных и частотных мод детектирования в каждом канале через переход на импульсную накачку пикосекундной длительности и путем увеличения отношения сигнал/шум при детектировании сигналов как оптического, так и терагерцового трактов. 4. Разработан теоретический подход для описания пространственных свойств и корреляций фотонов, генерируемых при параметрическом рассеянии в сильно невырожденном режиме в схеме с нелинейным интерферометром, основанный на формализме мод Шмидта. Разработан метод селективного выделения различных пространственных мод сжатого терагерцового и оптического излучения, генерируемого в процессе частотно-невырожденного параметрического рассеяния в схеме с нелинейным интерферометром, основанный на подсветке оптического канала в нужной моде Шмидта с одновременным усилением терагерцового сжатого света в сопряженной пространственной моде. На основе данного метода удалось получить усиление терагерцового излучения в моде с достаточно узким распределением по полярному углу, которое не испытывает полного внутреннего отражения в кристалле и может быть детектировано с минимальными потерями. Продемонстрировано, что в случае подсветки одновременно нескольких мод Шмидта пространственное распределение сигнала на выходе определяется не только плотностью вероятности подсвеченных мод, но и интерференционным слагаемым, которое зависит от фазы подсветки с каждой из этих мод. Это дает возможность управлять угловым распределением выходного оптического и терагерцового излучения за счет изменения фазы подсветки. 5. Разработан теоретический подход для анализа взаимовлияния процессов параметрического рассеяния в сильно невырожденном режиме и генерации суммарной частоты за счет наличия общих пространственных терагерцовых мод. Получены решения для эволюции фотонных операторов в модах Шмидта и пространственные распределения сигналов. Обнаружены сильные корреляции между генерируемыми стоксовыми и антистоксовыми компонентами по азимутальному углу. На основе обнаруженных корреляций предложен способ получения информации о характеристиках неклассического терагерцового излучения. Продемонстрировано, что информацию о фотонной статистике и квадратурном сжатии генерируемого терагерцового излучения можно получить на основе измерения двухчастичных распределений по числу фотонов для стоксовых и антистоксовых компонент. | ||
4 | 26 мая 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Генерация квантово-коррелированных состояний излучения в терагерцовом и видимом частотных диапазонах |
Результаты этапа: 1. Развит метод диагонализации оператора нелинейного взаимодействия в случае сильно невырожденного параметрического рассеяния света, учитывающего тензорный характер квадратичной восприимчивости нелинейного кристалла. Для диагонализованного оператора взаимодействия найдены решения уравнений эволюции операторов рассеянного поля, позволяющие записать матрицу рассеяния при произвольных коэффициентах параметрического усиления. Для кристалла ниобата лития найдены угловые зависимости собственных азимутальных мод рассеянного излучения при различных значениях частоты холостого терагерцового излучения. Найдены собственные значения собственных азимутальных мод, позволяющие найти эффективное число мод при различных значениях частоты терагерцового излучения и при различных коэффициентах параметрического усиления. Показано, что с ростом частоты терагерцового излучения эффективное число мод растет, а угловая ширина каждой моды уменьшается. Показано, что рост эффективного числа мод с ростом частоты холостого терагерцового излучения приводит к тому, что чем выше эта частота, тем больше требуется интенсивность накачки для перехода к вынужденному режиму рассеяния. 2. Разработан метод определения средней величины и статистического разброса показаний сверхпроводящего болометра, соответствующих регистрации одиночного фотона терагерцового диапазона частот. Предложен вид функции распределения амплитуд показаний сверхпроводящего терагерцового болометра, представляющий собой свертку пуассоновского распределения числа зарегистрированных фотонов с гауссовской функцией распределения заряда, связанного с регистрацией одиночного фотона. Показано, что экспериментальные функции распределения амплитуд импульсов терагерцового болометра хорошо аппроксимируются этой функцией. Определены режимы наименьшей дисперсии элементарного заряда, соответствующего детектированию одиночного терагерцового фотона в установке для регистрации корреляционных характеристик оптико-терагерцовых бифотонов. Предложен способ оптимизации режима детектирования низкоэнергетичных импульсов терагерцового излучения сверхпроводящим болометром, позволяющий проводить статистический анализ числа зарегистрированных фотонов терагерцовой частоты. 3. Развиты экспериментальные основы и схема измерения статистических распределений показаний и корреляций показаний детекторов аналогового типа в установке по генерации и регистрации квантово-коррелированных фотонов оптических и терагерцовых частот. Разработана процедура и программный комплекс для определения нормированной корреляционной функции оптико-терагерцовых бифотонов и NRF-фактора по показаниям детекторов сигнального оптического и холостого терагерцового излучения, генерируемого при частотно-невырожденном спонтанном параметрическом рассеянии. Экспериментально показано, как анализ температурных зависимостей угловых распределений интенсивности сигнальных волн в оптическом диапазоне позволяет предсказать, каким образом при изменении температуры кристалла будет происходить изменение корреляционной функции оптико-терагерцовых бифотонов и общего числа холостых фотонов, генерируемых при спонтанном параметрическом рассеянии в терагерцовом диапазоне, а также отдельно изучить поведение вкладов классических тепловых и чисто квантовых флуктуаций поля в эти параметры. Предложена оригинальная конструкция сопрягающего элемента из материала высокоомного кремния для расширения углового модового состава холостого излучения параметрического рассеяния, детектируемого терагерцовым приемником, и увеличения эффективности регистрации оптико-терагерцовых корреляций. 4. Собрана экспериментальная установка для измерения статистических параметров бифотонных полей, генерируемых при спонтанном параметрическом рассеянии типа II в коллинеарном частотно-вырожденном режиме. Установка предназначена для измерения квантовой эффективности счетных детекторов оптического излучения. Рассчитаны и зарегистрированы спектры СПР-II от кристалла BBO в коллинеарном частотно-вырожденном режиме от накачки излучением диодного лазера с длиной волны 405 нм. Предложена стробируемая схема для безэталонной калибровки аналоговых фотодетекторов на основе измерения корреляционных функций их фототоков при регистрации сигнального и холостого излучения спонтанного параметрического рассеяния света. | ||
5 | 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. | Генерация квантово-коррелированных состояний излучения в терагерцовом и видимом частотных диапазонах |
Результаты этапа: 1. Разработаны принципиальные схемы и созданы действующие макеты экспериментальных установок для измерения спектральной яркости, статистических распределений и корреляционных характеристик холостого излучения терагерцовых частот и сигнального излучения сопряженных оптических частот, генерируемых при параметрическом рассеянии в условиях лазерной накачки импульсами наносекундной и пикосекундной длительности. Предложены методы оптимизации числа детектируемых продольных и поперечных мод излучения, связанных условиями сильно частотно-невырожденного параметрического взаимодействия. 2. Разработаны методики и программный комплекс для измерения параметров неклассичности коррелированных потоков фотонов оптических и терагерцовых частот: нормированной корреляционной функции оптико-терагерцовых бифотонов, фактора подавления шума разностного фототока аналоговых детекторов сигнального и холостого излучения. Экспериментально определен характер изменения этих величин при различных значениях коэффициента параметрического усиления. Разработаны 2 способа дискриминации шумовых показаний аналоговых детекторов, которые могут успешно применяться при измерении корреляции токов сигнальных и холостых детекторов. Показано, что лучшую точность определения нормированной корреляционной функции второго порядка дает способ условной дискриминации, реализуемый при использовании однофотонного детектора в схеме регистрации сигнального оптического излучения. Этот способ может успешно применяться при измерении абсолютных значений квантовой эффективности детекторов. Второй разработанный способ – способ независимой пороговой дискриминации, позволяет регистрировать добавки к корреляционной функции бифотонного поля второго порядка за счет более высоких корреляционных моментов поля. Этот способ дискриминации перспективен в приложениях квантовой сенсорики и визуализации, ориентированных на измерение относительного уровня квантовой корреляции при воздействии внешних факторов в терагерцовом диапазоне частот. 3. На основе анализа статистических распределений показаний терагерцового болометра показано, что полученные экспериментальные распределения хорошо аппроксимируются функцией, являющейся сверткой пуассоновского распределения, описывающего статистику фотодетектирования отдельных терагерцовых фотонов, с гауссовой функцией, описывающей разброс значений показаний болометра при регистрации одиночного фотона. Показано, что аппроксимация экспериментальных гистограмм показаний болометра при помощи этой функции позволяет определить среднее значение показаний болометра, соответствующих детектированию одного фотона, и среднее число терагерцовых фотонов, регистрируемых болометром за время строба аналоговой схемы детектирования. 4. Развит теоретический метод диагонализации оператора нелинейного взаимодействия в случае сильно невырожденного параметрического рассеяния света, учитывающего тензорный характер квадратичной восприимчивости нелинейного кристалла. Для диагонализованного оператора взаимодействия найдены решения уравнений эволюции операторов рассеянного поля, позволяющие записать матрицу рассеяния при произвольных коэффициентах параметрического усиления. Для схемы параметрического рассеяния в кристалле ниобата лития найдены угловые зависимости собственных азимутальных мод рассеянного излучения при различных значениях частоты холостого терагерцового излучения. Найдены собственные значения азимутальных мод, позволяющие найти эффективное число мод при различных значениях частоты терагерцового излучения и при различных коэффициентах параметрического усиления. Показано, что с ростом частоты терагерцового излучения эффективное число мод растет, а угловая ширина каждой моды уменьшается. Показано, что рост эффективного числа мод с ростом частоты холостого терагерцового излучения приводит к тому, что чем выше эта частота, тем больше требуется интенсивность накачки для перехода к вынужденному режиму рассеяния. С помощью матрицы рассеяния, имеющей диагональный вид в базисе азимутальных собственных мод, рассчитаны величины нормированной корреляционной функции интенсивностей (g2) сигнального оптического и холостого терагерцового излучения, рассеянных под разными углами, а также фактор подавления шума (NRF), выражающийся через дисперсию разности чисел фотонов. Показано, что для получения высоких значений g2, свидетельствующих о неклассической статистике оптико-терагерцового излучения, следует использовать как можно более малые угловые апертуры детекторов для уменьшения эффективного числа мод, регистрируемых детекторами. В то же время, для получения низких значений NRF, также свидетельствующих о неклассической статистике излучения, следует использовать как можно более большие и при этом одинаковые угловые апертуры детекторов по азимутальным углам во избежание потерь фотонов, принадлежащих сопряженным модам. 5. Предложен и экспериментально продемонстрирован анализ температурных зависимостей угловых распределений интенсивности сигнальных волн в оптическом диапазоне, позволяющий количественно определить изменение корреляционной функции оптико-терагерцовых бифотонов и общего числа холостых фотонов, генерируемых при спонтанном параметрическом рассеянии в терагерцовом диапазоне, при охлаждении кристалла, а также отдельно изучить поведение вкладов классических тепловых и непосредственно квантовых флуктуаций поля в эти параметры. 6. Разработана методика безэталонного определения квантовой эффективности аналоговых фотодетекторов, являющаяся развитием метода Д.Н.Клышко безэталонной калибровки фотодетекторов счетного типа. Методика апробирована на примере фотодетекторов оптического диапазона, регистрирующих бифотонные состояния поля, рассеянного в процессе почти вырожденного параметрического рассеяния света. Разработаны способы дискриминации шумов аналоговых детекторов, использующие возможность аппроксимации распределений показаний детекторов функцией распределения, являющейся сверткой пуассоновского и гауссовского распределений. Предложенную методику планируется использовать для калибровки сверхпроводящего болометра и других детекторов излучения терагерцового диапазона. Разработаны принципы и определены общие условия применимости различных методов калибровки квантовой эффективности охлаждаемых терагерцовых детекторов в схеме частотно-невырожденного параметрического рассеяния света: 1) метода Клышко в режиме спонтанного параметрического рассеяния, модифицированного с учетом измерения корреляционной функции бифотонного поля с помощью аналоговых детекторов, 2) метода, основанного на измерении фактора подавления шума разностного фототока в режиме параметрического рассеяния с высоким коэффициентом усиления, 3) нового метода, основанного на анализе результатов условного отбора показаний аналогового терагерцового детектора по показаниям однофотонного детектора в оптическом сигнальном канале детектирования. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".