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研究人员演示了第一个太赫兹量子传感
发布时间:2020-05-22 08:58:12 阅读:50

来源:Thamarasee Jeewandara , Phys.org;电子科技大学红外毫米波与太赫兹研究院 朱凯星 编译

理论分析的方案和名称。除了一个激光泵(为了简化,这里没有显示),信号(s1)和空载(i1)输入模式进入非线性晶体(NL)。晶体中的相互作用导致输出模式s’1和i’1中的信号和空载光子分别产生。它们被铟锡氧化物(ITO)涂层玻璃隔开。然后,通过反射镜Ms将信号辐射和泵浦光束反射回晶体中。第二段的输入模式用i2和s2表示,这是因为对齐而与s’1相等。空载模式i’1通过物体(O),然后被镜子Mi反射并再次通过物体(O)。这就相当于一个分束器,拥有第二输入模式3以及输出模式i’’1和3’。对齐空载束,模式i“1对应于i2。第二段后的输出模式为s’2和i’2。 最后,信号辐射(模式2)被检测器检测到了。插图显示了基于详细模型的斯托克斯(红色)和反斯托克斯(蓝色)区域的模拟干涉信号。Credit: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.aaz8065

    量子物理学家依靠量子传感作为一种非常有吸引力的方法来访问光谱区域和检测通常在技术上具有挑战性的光子(微小的光包)。他们可以在感兴趣的光谱区域收集样本信息,并通过双光子关联将细节转移到另一个具有高度敏感探测器的光谱范围。这项工作特别有利于没有半导体探测器的太赫兹辐射,这种情况下物理学家必须使用相干探测方案或低温冷却辐射热测定器。在一份关于科学进步的新报告中,德国工业数学和物理系的Mirco Kutas和一个研究小组描述了量子传感在太赫兹频率范围的第一次演示。在实验中,太赫兹频率与自由空间中的样品相互作用,并通过检测可见光子提供关于样品厚度的信息。研究小组获得了基于双光子干涉的太赫兹光子的层厚测量。由于无损测量层厚的能力具有很高的工业相关性,Kutas等人期望这些实验是迈向工业量子传感的第一步。

    量子传感和成像是利用一对相关的可见光和红外光子进行红外测量的一种流行方案。研究小组先前已经证明了在太赫兹频率范围内使用Young结构的单晶干涉仪测量太赫兹频率范围内周期性极化的铌酸锂(PPLN)晶体的吸收。在目前的工作中,Kutas等人用660千米的泵浦光子利用自发参量转换(SPDC)产生太赫兹(惰)光子,在ABO波长产生信号光子波长为661nm----非常接近光谱泵浦波长。为了检验室温量子传感的可行性,该小组首先从理论上分析了单晶量子干涉仪的概念。

    理论上,该装置包含一个泵浦光束,它照亮一个非线性晶体,以产生一对信号(s)和空载(i)光子。这是Kutas等人基于他们先前研究的理论过程提出来的。在通常的SPDC(自发参数下转换)实验中,输入模式处于真空状态。然而,在本工作中,太赫兹范围内的空载光子的小能量从热波动中得到了很大的贡献,使其处于热状态。在实验过程中,研究小组希望将把泵和信号光子从空载光子中分离出来,与物体相互作用,以使产生的辐射得到反射和耦合,然后进入晶体。他们说明了该模型所产生的预期干扰,得出结论,在热光子存在下转换时(当信号发生时并且空载场具有比泵更低的频率)可能会出现干扰模式以及上转换。

实验装置原理。波长为659.58nm的连续波激光器通过零级半波板(λ/2)通过VBG(VBG1)反射到装置的干涉仪部分。然后,它被透镜F1聚焦到一个周期性极化的1毫米长MgO掺杂的LiNbO3(PPLN)晶体产生信号和太赫兹光子,这些光子被ITO分离。信号和泵浦辐射在Ms处直接反射到晶体中。太赫兹辐射通过物体两次,被一个可移动的镜像Mi反射。在通过PPLN的泵的第二导线中,产生额外的信号和空载光子。然后,透镜F1准直泵和信号辐射的检测,从用三个VBG和空间滤波器(SF)过滤泵辐射开始。为了获得矩形频谱,信号辐射通过透射光栅(TG)通过透镜f2聚焦到sCMOS相机上。插图显示了使用的晶体的矩形光谱(极化周期Λ=90μm,泵浦450米mW)。 散射角对应于晶体向空气传输后的角度。Credit: Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aaz8065

    目前的实验装置也是基于先前提出的装置---扩展到类似于迈克尔逊的单晶量子干涉仪。科学家们使用660nm倍频的固态激光器作为泵浦源,并使用体积布拉格光栅(VBG)将光子耦合到干涉仪上。对于非线性介质,他们选择了一个1毫米长的PPL N(周期性极化的铌酸锂)晶体,极化周期为90µm,以产生在太赫兹频率范围内可见的(信号)光子和相关(空载)光子。在晶体后面,研究人员放置了一个氧化铟锡涂层玻璃,来从泵和信号光子分离空载光子。然后,他们使用凹镜直接聚焦泵和信号辐射回到晶体。

    由于铌酸锂(LiNbO3)在太赫兹频率范围内的折射率导致空载辐射的大散射角,它们使用抛物面镜对这种辐射进行准直。并在放置在压电线性平台上的平面镜上反射空载辐射。在通过晶体的两个通道后,他们使用三个VBG作为高效窄带陷波滤波器来对泵浦和信号光束进行校准并过滤了泵浦光子。研究小组使用了一种未冷却的科学互补金属氧化物半导体(CMOS)相机作为探测器。该装置中的信号光子可以通过SPDC(自发参数下转换)或通过在太赫兹频率范围内转换热光子来产生。信号强度与泵浦功率成线性关系,使实验在低增益区进行。

太赫兹量子干涉。在信号的共线前向点中,在(A)斯托克斯和(B)反斯托克斯区域观察到干扰。(C和D)相应的FFT峰值在1.26THz左右。增加ITO玻璃在怠速路径上,不能观察到干扰,FFT中的峰消失。Credit: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.aaz8065

    科学家观察到信号光子在斯托克斯和反斯托克斯区域的干扰-匹配模拟干扰信号。相应的快速傅里叶变换(FFT)在两个实例中相对于相位匹配条件显示出峰值。记录数据的噪声是由激光波动和摄像机的噪声引起的。为了确定干扰是由太赫兹光子沿惰走路径传播引起的,他们在抛物面和平面镜之间放置了铟锡氧化物玻璃,从而阻挡了太赫兹辐射,同时允许可见光的传输。

    接下来演示太赫兹量子传感,Kutas等人测量了各种聚四氟乙烯(PTFE)板的厚度-放置在最大厚度为5毫米的空载路径上。由于PTFE的折射率,路径的光学长度发生了变化,它们在不同的阶段观察到干涉的包络。除了移位外,在聚四氟乙烯板的存在下,干扰的能见度降低。该小组通过使用标准时域光谱(TDS)系统估计其折射率来检测板的厚度。根据干涉信号的折射率和位移,计算了层厚。结果表明,在太赫兹频率范围内,对空载光子的量子干涉使物理学家能够通过量子感应确定太赫兹路径中样品的层厚。

太赫兹量子感应。干涉的包络移动取决于(A)斯托克斯和(B)反斯托克斯部件中聚四氟乙烯板的厚度。(C)量子干涉测量聚四氟乙烯板的厚度 用千分尺卡尺测量PTFE厚度。实线是角度平分线。水平误差条(由数据点隐藏)考虑聚四氟乙烯板的不均匀厚度和参考测量的不准确。垂直误差条是由于确定干涉包络中心位移的精度所致。Credit:Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.aaz8065

    通过这种方法,MircoKutas和他的同事在太赫兹频率范围内观察到量子干涉,以及太赫兹光子在自由空间、斯托克斯和反斯托克斯区域内传播。他们展示了使用这种技术来确定各种PTFE区域厚度的能力,作为在太赫兹频率范围内概念应用的证明。虽然测量时间和分辨率不能与经典的太赫兹测量方案相比较,但这里提出的概念是实现太赫兹量子成像的第一个里程碑。

 
 

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