Laboratorio de Óptica Cuántica

Actividad 2: Fuente de pares de fotones

Elaboró: Jorge Arturo Rojas SantanaAsesor: Dr. Dorilián López Mago

Objetivo General

Entender conceptos básicos y conocer los elementos que conforman un laboratorio experimental de óptica cuántica.

Objetivos específicos

a) Entender el concepto de fotones individuales y fotones correlacionados.b) Caracterizar la tasa de producción de pares de fotones.

Introducción

La Nanociencia y la Nanotecnología son ramas del conocimiento que prometen el desarrollo de tecnologías avanzadas. Dichas tecnologías permitirán abordar problemas multidisciplinarios que incluye la contaminación ambiental, la producción de energía, el transporte y la transferencia de información.

El desarrollo de nanotecnologías involucra entender las propiedades de estructuras a escala nanométrica. En este régimen, los efectos físicos son gobernados por la física cuántica. La física cuántica es la teoría más exitosa que nos ha permitido entender el comportamiento de moléculas, átomos y fotones. Un fotón es una excitación elemental del campo electromagnético, cuya energía está determinada por E= ωℏ , dónde ℏ=h/2π , h=6.626 x10−34m2 kg/ s es la constante de Planck y ω la frecuencia angular del fotón. La óptica cuántica estudia las interacciones de estados cuánticos de la luz con la materia.

Un reto importante de la óptica cuántica es la construcción fuentes de fotones conocidas como fuentes de luz no clásicas. El objetivo es lograr que puedan emitir un pequeño y controlado número de fotones a una determinada frecuencia ω de forma eficiente.

Una fuente particular de pares de fotones se realiza a través del proceso de conversión paramétrica descendente espontánea (SPDC, por sus siglas en inglés). En este proceso, se bombea un cristal no lineal con un láser intenso que generalmente se encuentra en el espectro ultravioleta. De forma espontánea, uno de los fotones de bombeo es absorbido y se convierte, a través del SPDC, en dos fotones infrarrojos.

De acuerdo con las condiciones de conservación de energía y momento lineal, las fuentes SPDC pueden dividirse en colineales y no colineales. En la Figura 1 se presenta una fuente no colineal dónde se observan los principales componentes de la generación de pares de fotones: láser de bombeo, cristal no lineal y sistema de detección.

Figura 1. Fuente no colineal de pares de fotones. λ pes la longitud de onda del láser de bombeo, λ i y λs son la longitud de onda de un par de fotones emitidos simultáneamente. APD son fotodiodos de avalancha para la detección de los fotones.

Cuando λ i=λs, se tiene el caso de una fuente de pares de fotones correlacionados. De acuerdo con el principio de conservación de energía y momento lineal, se debe de cumplir que:

k p=2ks , ec. 1

dónde k=2πλ es el número de onda. A la detección de pares de fotones emitidos simultáneamente y

registrados en el osciloscopio le llamamos número de coincidencias.

Contar con fuentes de pares de fotones como la descrita en la Figura 1, abre la posibilidad de realizar metrología cuántica, en particular la basada en interferometría donde se superponen dos estados cuánticos de un fotón o dos fotones. Las fuentes de luz no clásica tienen un amplio campo de aplicación como en comunicaciones cuánticas, computación cuántica, imagenología cuántica, etc.

A continuación, se presenta la metodología para la producción de pares de fotones en el laboratorio de óptica cuántica del Tecnológico de Monterrey. Para ello, vamos a caracterizar la tasa de producción de pares de fotones en función de la potencia del láser de bombeo:

Tasa de pares de fotones= Númerodecoincidencias por segundomW de potenciadebombeo

ec. 2

2

Método

Materiales principales

Component

Vendor Model Each USD No.

Comment

Laser CrystaLaser

BCL-300-405

$500 to $1100 1 λ p=406 +/- 4 nm

Crystal Newlight Photonics

BBO crystal

$549 1 BBO Beta Barium Borate crystal

Time-Correlated Single Photon Counting (TCSPC) system.

PicoQuant PicoHarp 300

$37,946

$28035EUR

1 • Two identical synchronized but independent input channels• 65536 histogram time bins, minimum width 4 ps• Count rate up to 10 million counts/sec• Multi-stop capability for efficiency at low repetition rates• Adjustable input delay for sync channel with 4 ps resolution• Histogrammer measurement range from 260 ns to 33 µs (depending on resolution)• Multichannel routing capability• Time tagging with sustained count rates up to 5 Mcps• On-line Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS)• External synchronization signals for (fluorescence lifetime) imaging or other control events• Drivers and demo code for custom programming

Photon counting detector modules

Micro Photon Devices (MPD)

PDM

Module

PD-050-CTB

2 Timing resolution down to < 50 ps (FWHM)Detection efficiency up to 49 %Different active areas: 20, 50, and 100 µmUltra stable at high count rateshighest quantum efficieny in the VIS range around 550 nm

Servo Motor Controller

ThorLabs TDC001 638.52 6 Front Panel Velocity Wheel and Digital Display for Controlling Motorized Stages or ActuatorsTwo Bidirectional Trigger Ports to Read or Control External EquipmentInterfaces with Computer Using Included USB CableFully Compatible with Kinesis® or APT™ Software PackagesCompact Footprint: 60.0 mm x 60.0 mm x 49.2 mmPower Supply Not Included (See Below)

12 mm Motorized Actuator

ThorLabs Z812B 628.32 6 Minimum resolution of 29 nm

Procedimiento

Procedimiento para la captura de señal de la producción de pares de fotones vs potencia de

bombeo

1. Colocar la cubierta sobre el arreglo experimental y apagar las luces. Ver Figura 2.2. Encender el Pico Harp y abrir el software en la PC.3. Conectar los detectores MPD a la corriente eléctrica.4. Revisar la señal de Dark Counts, aproximadamente 200 para el canal 0 y 1. Fijar un tiempo de

integración de 60s

3

5. Encender el láser de bombeo. Realizar mediciones fijando la potencia del láser de bombeo a 100, 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30 y 20mW.

6. Analizar la dependencia # de coincidencias vs Potencia.

Figura 2. Arreglo experimental de una fuente de pares de fotones.

Procedimiento para inducir un retardo en la detección de la señal de los fotones correlacionados

1. Agregar cable en el canal 1 del Pico Harp.2. Fijar la Potencia a 100mW y realizar la captura de datos.

Análisis de la polarización de los fotones correlacionados

1. Rotar el polarizador (A) 90 grados. Ver Figura 2.2. Fijar la potencia del láser de bombeo en 100mW y realizar la captura de datos.

Análisis de resultados

1. Determinar el número total de coincidencias considerando el FWHM para cada pico de la señal obtenida. Presentar una gráfica coincidencias vs tiempo (ns).

2. Graficar coincidencias/tiempo de integración vs Potencia (mW).3. Presentar una gráfica coincidencias vs tiempo (ns) con los polarizadores cruzados.

Resultados

Señal de Dark Counts: MPD-A: ________ MPD-B: ________

Longitud de onda de bombeo: λ p=¿__________

Longitud de onda del par de fotones: λ s=¿__________

Potencia de bombeo: _______________________________

Señal MPD-A: ________ MPD-B: ________

4

Nombre del experimento: _______________________________

Tiempo de integración: _______________________________

Número de coincidencias: _______________________________

Tiempo del pico de coincidencias: _______________________________

Tasa de pares de fotones: _______________________________

Discusión

¿Qué es una fuente de luz no clásica y en qué consiste?

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¿Experimentalmente cómo describiría un fotón?

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¿Cómo es posible detectar un par de fotones correlacionados?

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¿Qué mecanismo considera usted que causa la generación del par de fotones?

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¿Cómo depende el # de coincidencias vs Potencia?

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5

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¿Conociendo el retardo en la señal y la longitud del cable que puede deducir del experimento?

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¿Qué se puede inferir de los fotones correlacionados al cruzar los polarizadores?

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¿A qué conclusiones puede llegar después de esta actividad?

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Referencia

Galvez, E. J., Holbrow, C. H., Pysher, M. J., Martin, J. W., Courtemanche, N., Heilig, L., & Spencer, J. (2005). Interference with correlated photons: Five quantum mechanics experiments for undergraduates. American Journal of Physics, 73(2), 127. https://doi.org/10.1119/1.1796811

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