Hanbury Brown 및 Twiss 실험을 위한 시간 및 진동수 분석기 사용

Moku 시간 및 주파수 분석기(TFA)는 구성 가능한 시작 및 중지 이벤트 간의 간격을 sub-ps 정밀도로 측정합니다. TFA를 사용하는 동안 간격 지속 시간의 무손실 히스토그램을 실시간으로 계산할 수 있으므로 후처리에서만 그래프를 계산하는 대신 실시간으로 실험 진행 상황을 볼 수 있습니다. 실시간 히스토그램을 채워 광자 묶음 또는 묶음 방지 동작을 관찰하고, 2차 상관 함수를 조사하고, 광자 소스의 일관성 속성을 분석할 수 있습니다. 이 기능을 적용한 Hanbury Brown 및 Twiss 실험은 실시간 히스토그램 생성의 이상적인 사용 사례입니다.

Hanbury Brown and Twiss(HBT) 실험 배경

HBT 실험에서 과학자들은 서로 다른 위치에 두 개의 검출기를 배치하여 먼 소스에서 두 개의 분할 광자 빔을 관찰합니다. 하나의 빔은 다른 빔에 비해 다른 경로 길이를 이동하므로 두 검출기에 광자가 도착하는 시간 사이에 시간적 오프셋이 발생합니다. 실험자들은 시간의 함수로 각 검출기에 도달하는 빛의 강도를 측정합니다. 그런 다음 두 탐지기에 의해 기록된 강도 간의 상관 관계를 분석합니다. HBT 간섭계는 천문학, 양자 정보 처리 및 양자 통신 분야의 응용을 통해 빛의 양자 특성을 검증하는 데 도움이 됩니다._[1]

빛이 고전적으로 동작하는 경우 두 감지기에 의해 감지된 강도는 상관 관계가 없어야 합니다. 그러나 양자역학에서 광자는 뭉치거나 뭉치지 않는 동작을 나타낼 수 있습니다. 번칭(bunching)은 광자가 함께 도착하는 경향을 나타내고, 반번칭(anti-bunching)은 광자가 함께 도착하지 않는 경향을 나타냅니다. 감지된 광자가 다발로 나타나는 경우 이는 서로 상관 관계가 있음을 의미합니다. 즉, 동시에 감지기에 도달할 가능성이 더 높다는 의미입니다. 반대로, 그림 1의 히스토그램에서 볼 수 있듯이 안티 번칭(anti-bunching)을 나타내는 경우 이는 반대 상관 관계가 있음을 의미합니다. 즉, 동시에 도착할 가능성이 적다는 것을 의미합니다. 연구자들은 히스토그램을 사용하여 광자 도착 시간을 관찰함으로써 서로 다른 검출기에 의해 감지된 광자 간의 중요한 공간적, 시간적 상관 관계를 확인할 수 있습니다.

그림 1: 안티번칭 동작을 나타내는 연속 광자 쌍 사이의 시간 지연에 대한 히스토그램

Moku 시간 및 주파수 분석기를 사용하여 HBT 실험을 수행함으로써 연구원은 재구성 가능한 FPGA 기반 하드웨어를 활용할 수 있습니다. 이 폼 팩터는 제로 데드 타임 측정, 실시간 무손실 히스토그램을 갖춘 직관적인 사용자 인터페이스, 내장된 데이터 로깅을 제공하여 필요한 데이터를 수집한 후 추가 분석을 수행합니다.

Hanbury Brown 및 Twiss 실험에 Moku 시간 및 주파수 분석기 사용

재료 및 하드웨어 구성

• 광자 방출기
• 50:50 빔 스플리터
• 광 검출기
• 모쿠 장치

구성

그림 2: Hanbury Brown and Twiss(HBT) 실험 하드웨어 설정

그림 2에서 볼 수 있듯이 방출기는 빔 분할기 쪽으로 광자를 보냅니다. 거기에서 빔은 두 경로로 전환됩니다. 한 경로는 광검출기 1(D1)을 향하고 다른 경로는 광검출기 2(D2)를 향하는 더 긴 경로를 향합니다. ). D1의 경로를 Moku 장치의 입력 1에 연결합니다. D2의 경로를 Moku 장치의 입력 2에 연결합니다.

시간 및 주파수 분석기 장비 설정

1. Moku 앱에서 시간 및 주파수 분석기를 엽니다.
2. 이벤트 탭에서 획득 모드를 연속으로 설정합니다.
3. 그림 3과 같이 이벤트 A가 간격을 시작하도록 구성합니다. 이는 경로 1에 해당합니다.
   1. 소스를 입력 1로 설정합니다.
   2. 광검출기의 펄스와 일치하도록 임계값을 구성합니다. 애벌런치 광검출기와 같은 광검출기의 경우 출력 전압은 입사광 전력 P의 함수입니다._고르다, 검출기의 감도 R_M(λ) 주어진 파장 및 M 인자, 트랜스임피던스 이득 G. _[2]
   3. 펄스를 감지하려면 Edge를 Rising으로 설정하십시오.

      그림 3: 이벤트 A 및 이벤트 B 구성

4. 간격을 종료하도록 이벤트 B를 구성합니다. 이는 경로 2에 해당합니다.
   1. 소스를 입력 2로 설정합니다.
   2. 광검출기의 펄스와 일치하도록 임계값을 구성합니다.
   3. 펄스를 감지하려면 Edge를 Rising으로 설정하십시오.
   4. 원하는 경우 홀드오프 시간을 설정합니다. 이 기능은 감지기가 짧은 시간 내에 연속 펄스를 등록하는 것을 방지하여 개별 광자 이벤트를 구별하는 데 도움이 됩니다.
5. 그림 4와 같이 간격을 구성합니다. 광자 도착 사이의 시간을 통해 광자 간의 가능한 상관 관계를 결정할 수 있습니다.
   1. 간격 탭에서 간격 A를 이벤트 A로 시작하고 이벤트 B로 끝나도록 설정합니다.
      

      그림 4: 시작 이벤트인 이벤트 A부터 중지 이벤트인 이벤트 B까지의 간격 설정

6. 원시 이벤트 타임스탬프를 기록하도록 데이터 로깅 설정
   1. Data Logger 아이콘을 눌러 내장된 Data Logger를 사용하여 데이터를 기록합니다. 로깅 매개변수(시작, 기간, 파일 이름 등)를 구성하고 내부 저장소에 로깅을 시작합니다. 파일 관리자를 사용하여 기록된 데이터를 다운로드하고 CSV, HDFS, MATLAB 또는 NumPy 파일로 변환하여 쉽게 내보내고 처리할 수 있습니다.
7. 무손실 실시간 히스토그램 구성
   1. 히스토그램 보기에서 설정 아이콘을 클릭하여 그림 5에 표시된 히스토그램 설정을 구성합니다. 기기 내 히스토그램은 실시간으로 계산됩니다. 즉, 실험 결과가 측정과 병행하여 생성됩니다.
      

      그림 5: 기기 내 히스토그램 설정

   2. 히스토그램 보기의 크기를 자동으로 조정하려면 "자동 설정 시작/중지"를 선택하세요. "항상 자동 크기 조정"을 켜도록 선택할 수도 있습니다.

결론

광자 계수 실험을 수행할 때 광자 검출기는 의미 있는 결과를 얻기 위해 구성하기 어렵거나 복잡한 데이터 조작이 필요한 경우가 많습니다. Moku 시간 및 주파수 분석기는 HBT 실험 및 기타 광자 계수 응용 분야를 위한 사용하기 쉽고 직관적인 솔루션을 제공합니다. 광자 계산 외에도 사용자는 이 문서에 표시된 단계를 사용하고 특정 애플리케이션에 맞게 구성 가능한 이벤트 감지기를 조정하여 시간 및 주파수 분석기를 주파수 카운터, 이벤트 감지기 또는 시간-전압 변환기로 사용할 수 있습니다. 시간 및 주파수 분석기에 대해 자세히 알아보려면 엔지니어에게 문의하세요.

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각주

[1] 웅, 티. (2018). Désordre contrôlé sur des nanostructures métalliques pour des application en plasmonique.

[2] “APD130x 작동 매뉴얼,” 13년 2020월 10일. https://www.thorlabs.com/prints/885fea23cf0bdb49-AD71B017D-23A-7A256-4FDFF821F7C9B130/APD2A04-Manual.pdf(2024년 XNUMX월 XNUMX일 액세스) .