Schéma et nomenclature pour l'analyse théorique. En plus d'une pompe laser (pour simplifier, pas dessiné ici), les modes d'entrée de signal (s1) et de ralenti (i1) entrent dans le cristal non linéaire (NL). L'interaction dans le cristal conduit à la génération de signal et de photons libres dans les modes de sortie s'1 et i'1, respectivement. Ils sont séparés par un verre recouvert d'oxyde d'indium et d'étain (ITO). Après, le rayonnement du signal et le faisceau de pompage sont réfléchis dans le cristal par le miroir Ms. Les modes d'entrée pour le deuxième passage sont notés i2 et s2, lequel est, à cause de l'alignement, égal à s'1. Le mode oisif i'1 passe par l'objet (O), est réfléchi par le miroir Mi, et se propage à nouveau à travers l'objet. Celui-ci agit comme un séparateur de faisceau (BS) avec le second mode d'entrée 3 et les modes de sortie i''1 et 3′. Alignement des poutres folles, le mode i''1 correspond à i2. Les modes de sortie après le deuxième passage sont s'2 et i''2. Durer, le rayonnement du signal (en mode s'2) est détecté par le détecteur. L'encart montre le signal d'interférence simulé dans les régions Stokes (rouge) et anti-Stokes (bleu) sur la base du modèle détaillé. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaz8065
Les physiciens quantiques s'appuient sur la détection quantique comme méthode très attrayante pour accéder aux régions spectrales et détecter les photons (petits paquets de lumière) qui sont généralement techniquement difficiles. Ils peuvent recueillir des échantillons d'informations dans la région spectrale d'intérêt et transférer les détails via des corrélations biphotoniques dans une autre gamme spectrale avec des détecteurs très sensibles. Le travail est particulièrement bénéfique pour le rayonnement térahertz sans détecteurs à semi-conducteurs, où les physiciens doivent utiliser à la place des schémas de détection cohérents ou des bolomètres refroidis par cryogénie. Dans un nouveau rapport sur Avancées scientifiques , Mirco Kutas et une équipe de recherche des départements de mathématiques et de physique industrielles en Allemagne ont décrit la première démonstration de détection quantique dans la gamme de fréquences térahertz. Lors des expérimentations, les fréquences térahertz ont interagi avec un échantillon dans l'espace libre et ont fourni des informations sur l'épaisseur de l'échantillon en détectant les photons visibles. L'équipe a obtenu des mesures d'épaisseur de couche avec des photons térahertz sur la base d'une interférence biphotonique. Étant donné que la capacité de mesurer l'épaisseur de la couche de manière non destructive est d'une grande importance industrielle, Kutas et al. attendez-vous à ce que ces expériences soient une première étape vers la détection quantique industrielle.
La détection et l'imagerie quantiques sont un schéma populaire pour les mesures infrarouges utilisant une paire de photons visibles et infrarouges corrélés. Des équipes de recherche avaient précédemment démontré le principe général de la détection quantique dans la gamme de fréquences térahertz à l'aide d'un interféromètre monocristallin dans la configuration de Young pour mesurer l'absorption d'un cristal de niobate de lithium (PPLN) périodiquement polarisé, dans la gamme de fréquences térahertz. Dans le travail present, Kutas et al. ont généré des photons térahertz (idler) à l'aide d'une conversion descendante paramétrique spontanée (SPDC) à l'aide de photons de pompe à 660 km pour générer des photons de signal à une longueur d'onde d'environ 661 nm, très proche de la longueur d'onde de pompe du spectre. Pour tester la faisabilité de la détection quantique à température ambiante, l'équipe a d'abord analysé théoriquement le concept d'un interféromètre quantique monocristallin.
En théorie, l'installation contenait un faisceau de pompage, qui a illuminé un cristal non linéaire pour créer des paires de photons de signal (s) et de photons libres (i). Kutas et al. basé leur démarche théorique sur une étude antérieure. Dans les expériences SPDC (conversion paramétrique spontanée) habituelles, les modes d'entrée sont dans un état de vide. Cependant, dans le présent travail, la faible énergie des photons libres dans la gamme térahertz a reçu des contributions substantielles des fluctuations thermiques pour être dans un état thermique. Au cours de l'expérimentation, l'équipe s'attendait à séparer les photons de pompe et de signal des photons libres pour interagir avec l'objet afin que le rayonnement résultant soit réfléchi et couplé dans le cristal. Ils ont illustré l'interférence attendue résultant du modèle pour conclure qu'une figure d'interférence pouvait être attendue en présence de photons thermiques pour la conversion descendante (lorsque le signal et les champs libres ont une fréquence inférieure à celle de la pompe) ainsi que pour la conversion ascendante. .
Schéma du montage expérimental. Un laser à onde continue d'une longueur d'onde de 659,58 nm est réfléchi par un VBG (VBG1) dans la partie interféromètre de l'installation à travers une lame demi-onde d'ordre zéro (λ/2) contrôlant la polarisation. Il est ensuite focalisé par une lentille f1 dans un cristal LiNbO3 (PPLN) dopé au MgO d'une longueur de 1 mm périodiquement polarisé et générant des photons térahertz qui sont séparés par un ITO. Le signal et le rayonnement de pompage sont réfléchis à Ms directement dans le cristal. Le rayonnement térahertz passe l'objet deux fois, étant réfléchi par un miroir mobile Mi. Dans la deuxième traversée de la pompe à travers le PPLN, un signal supplémentaire et des photons libres sont générés. Après, la lentille f1 collima le rayonnement de pompage et de signal pour la détection en commençant par filtrer le rayonnement de pompage par trois VBG et filtres spatiaux (SF). Pour obtenir le spectre fréquence-angulaire, le rayonnement du signal est focalisé à travers un réseau de transmission (TG) par la lentille f2 sur une caméra sCMOS. L'encart montre un spectre fréquence-angulaire pour le cristal utilisé (période de polarisation =90 μm, pompé avec 450 mW). L'angle de diffusion correspond à l'angle après la transmission du cristal à l'air. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaz8065
La présente configuration expérimentale était également basée sur une configuration présentée précédemment - étendue à un interféromètre quantique à cristal unique de type Michelson. Les scientifiques ont utilisé un laser à semi-conducteurs à fréquence doublée de 660 nm comme source de pompage et couplé les photons à l'interféromètre à l'aide d'un réseau de Bragg en volume (VBG). Pour le milieu non linéaire, ils ont sélectionné un cristal PPLN (niobate de lithium à polarisation périodique) de 1 mm de long avec une période de polarisation de 90 µm pour générer des photons visibles (signaux) et des photons (idlers) associés dans la gamme de fréquences térahertz. Derrière le cristal, les chercheurs ont placé un verre recouvert d'oxyde d'indium et d'étain pour séparer les photons libres de la pompe et les photons de signal. Ils ont ensuite focalisé directement la pompe et le rayonnement du signal dans le cristal à l'aide d'un miroir concave.
Étant donné que l'indice de réfraction du niobate de lithium (LiNbO
Interférence quantique térahertz. Dans le point avant colinéaire du signal, des interférences sont observées dans les régions (A) Stokes et (B) anti-Stokes. (C et D) Les FFT correspondantes culminent à environ 1,26 THz. En plaçant un verre ITO supplémentaire dans le chemin de renvoi, aucune interférence ne peut être observée, et les pics des FFT disparaissent. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaz8065
Les scientifiques ont observé l'interférence des photons du signal dans les régions de Stokes et anti-Stokes, correspondant au signal d'interférence simulé. Les transformées de Fourier rapides (FFT) correspondantes ont montré un pic pendant les deux cas par rapport aux conditions d'adaptation de phase. Le bruit des données enregistrées résultait des fluctuations laser et du bruit de la caméra. Pour déterminer que l'interférence a été causée par des photons térahertz se propageant le long du chemin du ralenti, ils ont placé un verre d'oxyde d'indium et d'étain entre le miroir parabolique et plan, qui a bloqué le rayonnement térahertz, tout en permettant la transmission de la lumière visible.
Pour démontrer ensuite la détection quantique térahertz, Kutas et al. mesuré l'épaisseur d'une variété de plaques de polytétrafluoroéthylène (PTFE) placées dans le chemin du rouleau avec une épaisseur maximale de 5 mm. En raison de l'indice de réfraction du PTFE, la longueur optique du trajet a changé et ils ont observé l'enveloppe d'interférence à différents stades. Mis à part le décalage, la visibilité de l'interférence diminuait en présence de la plaque PTFE. L'équipe a détecté l'épaisseur de la plaque en estimant leur indice de réfraction à l'aide d'un système standard de spectroscopie dans le domaine temporel (TDS). Sur la base de l'indice de réfraction et du décalage du signal d'interférence, ils ont calculé l'épaisseur de la couche. Les résultats ont montré que l'interférence quantique avec les photons libres dans la gamme de fréquences térahertz a permis aux physiciens de déterminer l'épaisseur de couche d'échantillons dans le chemin térahertz via la détection quantique.
Détection quantique térahertz. L'enveloppe de l'interférence est décalée en fonction de l'épaisseur de la plaque PTFE dans les parties (A) Stokes et (B) anti-Stokes. (C) Épaisseur de la plaque de PTFE mesurée par interférence quantique sur l'épaisseur de PTFE mesurée par un pied à coulisse micrométrique. La ligne continue est la bissectrice de l'angle. Les barres d'erreur horizontales (cachées par les points de données) tiennent compte des épaisseurs inégales des plaques de PTFE et de l'imprécision de la mesure de référence. Les barres d'erreur verticales résultent de la précision de la détermination du décalage du centre enveloppe de l'interférence. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaz8065
De cette façon, Mirco Kutas et ses collègues ont observé des interférences quantiques dans la gamme de fréquences térahertz avec propagation de photons térahertz dans l'espace libre, dans les régions Stokes et anti-Stokes. Ils ont montré la capacité d'utiliser cette technique pour déterminer l'épaisseur d'une variété de régions de PTFE en tant qu'applications de preuve de concept dans la gamme de fréquences térahertz. Alors que le temps de mesure et la résolution ne peuvent pas être comparés aux schémas de mesure térahertz classiques, le concept présenté ici est une première étape vers l'imagerie quantique térahertz.
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