|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
Оптимизация методов регистрации холостого излучения, генерируемого при спонтанном параметрическом рассеянии света в сильно невырожденном по частоте режимеНИР
Optimization of methods for detecting idler radiation generated by strongly non-degenerate spontaneous parametric down conversion
- Руководитель НИР: Китаева Г.Х.
- Ответственный исполнитель: Леонтьев А.А.
- Подразделение: Кафедра квантовой электроники
- Срок исполнения: 21 августа 2020 г. - 21 августа 2022 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 20-32-90232
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Информационно-телекоммуникационные системы
- Приоритеты и перспективы НТР Российской Федерации согласно Стратегии НТР РФ: переход к передовым цифровым, интеллектуальным технологиям
- ПН России: Информационно-телекоммуникационные системы
- Направление технологического прорыва России: Стратегические информационные технологии
- Критическая технология России: Технологии информационных, управляющих, навигационных систем
-
Рубрики ГРНТИ:
- 29.33.25 Нелинейные оптические свойства сред
- 29.33.29 Преобразование частот методами нелинейной оптики
- 29.35.33 Миллиметровые и субмиллиметровые волны
-
Ключевые слова:
сверхпроводящие болометры, оптико – терагерцовые бифотоны, терагерцовое излучение, фотопроводящие антенны, спонтанное параметрическое рассеяние
spontaneous parametric down-conversion, superconducting bolometers, photoconductive antennas, optical - terahertz biphotons, terahertz radiation -
Описание:
Проект посвящен разработке методов детектирования холостого излучения терагерцового диапазона частот, возникающего при спонтанном параметрическом рассеянии света в сильно невырожденном по частоте режиме. Квантово-коррелированные пары фотонов с сильно различающимися частотами, находящимися в оптическом (для сигнального излучения) и терагерцовом (для холостого излучения) диапазонах, чрезвычайно привлекательны для продвижения квантовых технологий в терагерцовый диапазон частот, квантовой фотометрии терагерцовых детекторов, создания источников одиночных терагерцовых фотонов и других актуальных приложений. Однако до сих пор корреляции такого типа не были экспериментально зарегистрированы в мире. Для осуществления пионерских работ в этой области необходимо исследование и выбор оптимальных детекторов терагерцового диапазона, способных регистрировать слабые потоки излучения и удовлетворять условиям, требующимся для последующей регистрации корреляций показаний терагерцового и оптического приемников. В ходе исследования будет исследована мощность холостого излучения, возникающего при спонтанном параметрическом рассеянии света с учетом поглощения на холостых частотах в нелинейном кристалле в зависимости от холостой частоты и температуры, дана оценка и проведено сравнение характеристик терагерцовых детекторов на основе полупроводниковых тонких пленок InGaAs и InGaAs/InAlAs с ориентациями кристаллографических осей (111)A и тонкой проводящей пластины NbN (нитрид ниобия). На основе полученных оценок будет выбран оптимальный терагерцовый детектор для регистрации холостого излучения, разработана экспериментальная установка и проведен первый в мировой практике эксперимент по регистрации холостого излучения, генерируемого при параметрическом рассеянии в режиме слабого усиления. Данные результаты будут положены в основу дальнейшего изучения статистических параметров показаний детекторов оптического и терагерцового трактов и исследованию корреляционных параметров оптико – терагерцовых бифотонов.
-
Abstract:
The project is devoted to the development of methods for detecting idler radiation generated under strongly non-degenerate spontaneous parametric down conversion in the terahertz frequency range. Quantum-correlated biphotons with different frequencies in the optical (for signal radiation) and terahertz (for idler) ranges are extremely attractive for advancing quantum technologies to the terahertz frequency range, developing quantum photometry of terahertz detectors, creating sources of single terahertz photons and other relevant applications. However, until now, correlations of this type have not been experimentally recorded in the world. To carry out pioneering work in this area, it is necessary to find the optimal terahertz detectors that can measure weak radiation fluxes and satisfy the conditions required for subsequent recording of correlations between the readings of terahertz and optical detectors. We will study the power of idler radiation arising under spontaneous parametric down conversion, taking into account absorption at idler frequencies in a nonlinear crystal, depending on the idler frequency and temperature, evaluate and compare the characteristics of terahertz detectors based on InGaAs and InGaAs / InAlAs semiconductor thin films with orientations of the crystallographic axes (111) A and a superconductive thin film NbN (niobium nitride). Based on the estimates obtained, the optimal terahertz receiver for detecting idler radiation will be selected, an experimental setup will be developed, and the first experiment in the world will be carried out to record idler radiation generated by parametric down conversion in the low-gain mode. The obtained results will form a basis for the further study of statistical parameters of the readings of the detectors in the optical and terahertz paths and for investigation of the correlation parameters of the optical - terahertz biphotons.
-
Планируемые результаты:
1.На основании расчетов и численных оценок характеристик оптико-терагерцовых бифотонов, генерируемых при СПР, 1.1 будут получены зависимости интегральной мощности холостого излучения и корреляционных параметров бифотонов от частоты холостого излучения при различных температурах, 1.2 проведено сравнение энергетических характеристик исследуемых типов детекторов терагерцового излучения. 2. На основании полученных оценок будет разработана схема установки для регистрации холостого и сигнального излучения частотно-вырожденного СПР и регистрации корреляции показаний оптического и терагерцового детекторов. 3. Будут проведены первые в мире эксперименты по 3.1 регистрации холостого излучения в режиме слабого усиления, 3.2 измерению статистики показаний детекторов холостого излучения терагерцовой частоты и оптического детектора сигнальной частоты при спонтанном параметрическом рассеянии света.
-
Научный задел:
Имеется многолетний опыт работ по развитию экспериментальных и теоретических основ метода спектроскопии спонтанного параметрического рассеянию света. Метод успешно применялся для измерения дисперсионных параметров нелинейных кристаллов в ИК и терагерцовой областях частот, определения параметров доменных структур периодически поляризованных кристаллов, разработки нового способа квантовой калибровки спектральной яркости источников излучения. Является специалистом в области лазерных методов генерации и детектирования терагерцового излучения в нелинейных кристаллах и фотопроводящих материалах. За последние 5 лет ею были получены следующие основные результаты: 1. Исследованы особенности параметрического рассеяния света в сильно частотно-невырожденном режиме. Определены условия генерации и детектирования неклассических свойств квантово-коррелированных пар фотонов оптических и терагерцовых частот. 2. Развит новый подход при электрооптическом стробировании импульсного терагерцового излучения, основанный на прямом измерении наведенной мощности лазерных импульсов накачки электрооптического кристалла. 3. Предложен и развит новый метод нелинейно-оптического детектирования квазинепрерывного и непрерывного терагерцового излучения, позволяющий проводить калибровку спектральной яркости излучения с использованием квантовых и тепловых флуктуаций поля в качестве встроенных источников эталонного излучения. 4. Исследованы эмиссионные характеристики и генерация излучения терагерцового диапазона частот в новых фотопроводящих материалах и фотопроводящих антеннах на основе полупроводниковых наногетероструктур и топологических изоляторов. 5. Развиты методы импульсной терагерцовой спектроскопии и спонтанного параметрического рассеяния света для определения дисперсионных параметров материалов в терагерцовом диапазоне частот.
- Добавил в систему: Китаева Галия Хасановна
Источник финансирования НИР
| грант РФФИ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 1 октября 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Оптимизация методов регистрации холостого излучения, генерируемого при спонтанном параметрическом рассеянии света в сильно невырожденном по частоте режиме |
| Результаты этапа: Проведено теоретическое исследование зависимости корреляционной функции оптико-терагерцовых бифотонов от частоты. Пользуясь теоретическим аппаратом обобщенного нелинейного закона Кирхгофа, выведенного Д.Н. Клышко, для многомодового поля спонтанного параметрического рассеяния, с учетом поглощения холостых волн в нелинейном кристалле получена зависимость корреляционной функции второго порядка оптико-терагерцового бифотонного поля от частоты. Показано, что имеется несколько факторов, оказывающих влияние как на рост корреляционной функции, так и на её падение при монотонном изменении частоты, в результате чего данная зависимость имеет хорошо выраженный максимум. Факторы, влияющие на падение корреляционной функции с ростом частоты: увеличение числа поперечных мод Шмидта, попадающих в апертуру детектора; увеличение коэффициента параметрического усиления с ростом частоты. Факторы, влияющие при этом на рост корреляционной функции: уменьшение вклада тепловых флуктуаций с ростом частоты. Проведенный анализ говорит о том, что для получения максимально скоррелированных фотонов нужно работать на частотах холостых волн 0.8 – 1 ТГц. Далее при описании экспериментальной установки будут приведены результаты первых экспериментов, которые проводились на частоте 1 ТГц. Выбор данной частоты обусловлен не только теоретической оценкой, но и практическими условиями: при увеличении частоты угол рассеяния соответствующего сигнального фотона увеличивается, что уменьшает влияние рассеянной накачки на ошибку измерения корреляционной функции. Для ограничения числа продольных мод мы использовали ТГц фильтр с центральной частотой 1 ТГц и полушириной 0.2 ТГц. | ||
| 2 | 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. | Оптимизация методов регистрации холостого излучения, генерируемого при спонтанном параметрическом рассеянии света в сильно невырожденном по частоте режиме |
| Результаты этапа: 1. Проведено сравнение энергетических характеристик типов детекторов терагерцового излучения оптимальных для регистрации холостого излучения. На основании полученных оценок разработана схема установки для регистрации холостого и сигнального излучения частотно-невырожденного СПР и регистрации корреляции показаний оптического и терагерцового детекторов. 2. Проведены пионерские эксперименты по регистрации холостого излучения в режиме слабого усиления и измерению статистики показаний детекторов холостого излучения терагерцовой частоты и оптического детектора сигнальной частоты при спонтанном параметрическом рассеянии света. | ||
| 3 | 1 января 2022 г.-1 октября 2022 г. | Оптимизация методов регистрации холостого излучения, генерируемого при спонтанном параметрическом рассеянии света в сильно невырожденном по частоте режиме |
| Результаты этапа: ) На основании теоретического исследования определены спектральные и температурные зависимости интегральной мощности холостого излучения терагерцовых частот и корреляционной функции оптико-терагерцовых бифотонов, генерируемых при спонтанном параметрическом рассеянии света (СПР). Показано, что зависимость корреляционной функции от частоты в терагерцовом диапазоне определяется несколькими факторами, оказывающими влияние как на рост корреляционной функции, так и на её падение при монотонном изменении частоты. Факторы, влияющие на падение корреляционной функции с ростом частоты: увеличение числа поперечных азимутальных мод Шмидта, попадающих в апертуру детектора; увеличение коэффициента параметрического усиления с ростом частоты. При этом фактором, приводящим к росту корреляционной функции, является уменьшение вклада тепловых флуктуаций с ростом частоты. В результате встречного влияния этих факторов спектральная зависимость корреляционной функции оптико-терагерцовых бифотонов имеет хорошо выраженный максимум. При использовании кристалла Mg:LiNbO3, охлажденного до температуры 4К, в качестве нелинейного элемента, максимум достигается на частотах холостых волн 0.8 – 1 ТГц. 2) Проведено сравнение рабочих характеристик типов детекторов терагерцового излучения, оптимальных для регистрации холостого излучения СПР, выполненных на базе тонких пленок NbN, GaAs, GaAs/AlGaAs, InGaAs, InGaAs/InP и InGaAs/InAlAs. Показано, что для исследования статистических свойств бифотонного поля, генерируемого при СПР в терагерцовом диапазоне частот, необходимо использовать чувствительные детекторы ТГц излучения, работающие при низких температурах (от ~5 К и ниже). Температуры нелинейного кристалла и всех элементов системы фокусировки холостого излучения на детектор должны также поддерживаться на этом уровне. Необходимость низких температур для повышения наблюдаемых корреляций между оптическими и холостыми фотонами возникает по нескольким причинам: для подавления тепловых флуктуаций, уменьшения поглощения холостого излучения в кристалле, и для снижения уровня фонового теплового излучения окружающих детектор объектов. Важным фактором является также максимальное быстродействие детектора, позволяющее проводить измерения средних токовых показаний в течение времени стробирования, не превышающего длительности одного импульса лазера накачки (нескольких наносекунд). В качестве детекторов, удовлетворяющих этим условиям, выбраны HEB болометры на сверхпроводящих пленках NbN со значением эквивалентной мощности шума (noise equivalent power, NEP) не хуже 2.5*10-13 Вт*Гц-0.5. 3) Разработана и апробирована схема экспериментальной установки для регистрации холостого и сигнального излучения частотно-вырожденного СПР и регистрации корреляции показаний оптического и терагерцового детекторов. Установка включает источник импульсно-периодической накачки на длине волны 523,5 нм с длительностью импульса 10 нс, частотой повторения 4 кГц и радиусом пучка накачки 300 мкм, работающий на второй гармонике излучения Nd3+: YLF-лазера с модуляцией добротности. В качестве источника оптико – терагерцовых бифотонов используется кристалл Mg:LiNbO3 длиной 0,9 см. Для регистрации терагерцовых фотонов в холостом (THz) канале используется сверхпроводящий болометр на горячих электронах NbN (HEB). Рабочая температура детектора и кристалла 4,8 К. Перед детектором HEB располагается полосовой фильтр с центральной частотой 1 ТГц и шириной полосы 0,25 ТГц. В качестве входного и выходного окон криостата используются фильтры ITO, подавляющие влияние внешнего теплового излучения на терагерцовых частотах. Для детектирования сигнальных (оптических) фотонов применяется однофотонный лавинный фотодиод. Для фильтрации (отсечки) рассеянного излучения накачки в схеме регистрации сигнальных волн используются узкополосные фильтры на решетках Брэгга. Для выделения поперечных мод сигнального излучения, связанных условиями фазового синхронизма с детектируемыми модами холостого канала, в оптическом канале помещается линза с фокусным расстоянием F1=21 см на расстоянии 2F1 от кристалла, излучение при этом проходит через систему щелей регулируемой ширины. Далее сигнальное излучение фокусируется на вход монохроматора и после монохроматора излучение заводится в лавинный фотодиод с помощью оптоволокна. В отличие от обычных оптических квантовых измерений с помощью однофотонных детекторов и схем совпадений, при измерении оптико-терагерцовых корреляций приходится измерять корреляционную функцию, используя детекторы с аналоговым выводом данных. Интегратор Boxcar применяется для одновременного определения «почти мгновенных» (средних за малый интервал времени строба) значений токов детекторов сигнального и холостого каналов. При этом также производилась фильтрация детектируемых показаний от шумов - за счет измерения поступающих показаний за время строба τ = 6 нс, синхронизованного с импульсами лазерной накачки. Связь Boxcar с компьютером (ПК) осуществлялась с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с частотой дискретизации 192 кГц. 4. Проведены первые в мире эксперименты по регистрации холостого излучения терагерцовой частоты в режиме слабого усиления и измерению статистики показаний детекторов холостого излучения терагерцовой частоты и оптического детектора сигнальной частоты при СПР. Разработана модель для аппроксимации статистических распределений токовых показаний детекторов, не способных работать в режиме счета фотонов. Показано, что на основании численной аппроксимации могут быть определены параметры статистических распределений и средних чисел однофотонных импульсов фототока аналоговых детекторов. 5. Впервые измерена корреляционная функция второго порядка, характеризующая квантовую корреляцию оптического и терагерцового фотонов, генерируемых при спонтанном параметрическом рассеянии света. Предложена и экспериментально реализована схема прямого измерения корреляционной функции второго порядка. Разработаны и продемонстрированы 2 подхода к дискриминации шумовых токовых показаний детекторов при определении уровня корреляций оптических и терагерцовых фотонов. Метод пост-селекции при обработке статистических данных может найти применение при квантовой калибровке терагерцовых детекторов, создании однофотонных источников терагерцового излучения. Подход с пороговой дискриминацией будет полезен при построении изображений с использованием однопиксельных терагерцовых детекторов и для развития других новых методов квантовой визуализации терагерцового излучения. 6. Получены общие выражения для фактора подавления шума разностного фототока в сигнальном и холостом каналах параметрического рассеяния, учитывающие возможность сильных флуктуаций амплитуд однофотонных откликов аналоговых детекторов терагерцового диапазона. Показано, что измерение фактора подавления шума разностного фототока с использованием таких детекторов не позволяет напрямую характеризовать степень двухфотонного сжатия в поле параметрического рассеяния. | ||
Прикрепленные к НИР результаты
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".