使用时间间隔和频率分析仪进行 Hanbury Brown 和 Twiss 实验

Moku 时间间隔与频率分析仪 (TFA) 以亚皮秒级精度测量可配置的开始和停止事件之间的间隔。使用 TFA 时，您可以实时计算间隔持续时间的无损直方图，从而可以查看 光子计数 实时观察实验进展，而不是在后期处理中专门计算图表。通过填充实时直方图，您可以观察光子聚束或反聚束行为，研究二阶相关函数，并分析光子源的相干性。此功能的一个应用是 Hanbury Brown 和 Twiss 实验，这是实时直方图生成的理想用例。

汉伯里·布朗和特威斯（HBT）实验背景

在 Hanbury Brown and Twiss (HBT在实验中，科学家将两个探测器放置在不同的位置，以观测来自远处光源的两束分裂光子。其中一束光子相对于另一束光子传播的路径长度不同，导致光子到达两个探测器的时间存在时间差。实验人员测量到达每个探测器的光强度随时间的变化，然后分析两个探测器记录的光强度之间的相关性。

HBT干涉仪有助于验证光的量子特性，其应用领域包括天文学、量子信息处理和量子通信。_[1] 如果光表现经典，则两个检测器检测到的强度应该是不相关的。然而，在量子力学中，光子可以表现出聚束或反聚束行为。聚束是指光子聚集在一起的倾向，而反聚束是指光子避免聚集在一起的倾向。如果检测到的光子表现出聚束，则表明它们是相关的，这意味着它们更有可能同时到达探测器。相反，如果它们表现出如图 1 中的直方图所示的反聚集，则意味着它们是反相关的，这意味着它们不太可能同时到达。通过使用直方图观察光子到达时间，研究人员可以确定不同探测器检测到的光子之间的重要空间和时间相关性。

通过使用 Moku 时间和频率分析仪对 HBT 实验进行光子计数，研究人员可以利用基于 FPGA 的可重新配置硬件。这种外形尺寸可实现零死区时间测量、具有实时无损直方图的直观用户界面以及嵌入式数据记录，以便在收集必要的数据后执行进一步分析。

使用 Moku 时间和频率分析仪进行 Hanbury Brown 和 Twiss 实验

材料及硬件配置

• 光子发射器
• 50:50 分光镜
• 光电探测器
• Moku 设备

汉伯里·布朗和特维斯配置

发射器向分束器发送光子，如图 2 所示。从那里，光束转向两条路径：一条路径指向光电探测器 1 (D1)，另一条路径沿着较长的路径指向光电探测器 2 (D2) ）。连接从 D1 到 Moku 设备的输入 1 的路径。将 D2 的路径连接到 Moku 设备的输入 2。

用于光子计数的时间和频率分析仪仪器设置

1. 在 Moku 应用程序中，打开时间和频率分析器。
2. 在事件选项卡中，将采集模式设置为连续。
3. 配置事件 A 以启动间隔，如图 3 所示。这对应于路径 1。
   1. 将源设置为输入 1。
   2. 配置阈值以与光电探测器的脉冲相对应。对于雪崩光电探测器等光电探测器，输出电压是入射光功率 P 的函数_选择，探测器的灵敏度 R_M(λ) 在给定波长和 M 因子下，以及跨阻增益 G。 _[2]
      $V_{out} = P_{opt} \times R_M(\lambda) \times G$
   3. 将边沿设置为上升以检测脉冲。
      
      图 3：事件 A 和事件 B 配置
      
4. 配置事件 B 以结束我们的间隔。这对应于路径2。
   1. 将源设置为输入 2。
   2. 配置阈值以与光电探测器的脉冲相对应。
   3. 将边沿设置为上升以检测脉冲。
   4. 如果需要，设置延迟时间。此功能可防止探测器在短时间内记录连续脉冲，从而有助于区分各个光子事件。
5. 配置如图 4 所示的间隔。根据光子到达之间的时间，我们可以开始确定光子之间可能的相关性。
   1. 在“间隔”选项卡中，将间隔 A 设置为从事件 A 开始并以事件 B 结束。
      
      图 4：从事件 A（开始事件）到事件 B（停止事件）的间隔设置
      
6. 设置数据记录以记录原始事件时间戳
   1. 按数据记录器图标，使用嵌入式数据记录器记录数据。配置日志记录参数（开始、持续时间、文件名等）并开始记录到内部存储。使用文件管理器下载记录的数据并转换为 CSV、HDFS、MATLAB 或 NumPy 文件，以便于导出和处理。
7. 配置无损实时直方图
   1. 在直方图视图上，单击设置图标来配置直方图设置，如图 5 所示。设备上的直方图是实时计算的，这意味着实验结果与测量结果并行生成。
      
      图 5：设备上的直方图设置
      
   2. 要自动缩放直方图视图，请选择“自动设置开始/停止”。您还可以选择打开“始终自动缩放”。

结语

在进行光子计数实验时，光子探测器通常难以配置或需要复杂的数据操作才能获得有意义的结果。莫库 时间间隔与频率分析仪 为 Hanbury Brown 和 Twiss 实验及其他实验提供易于使用、直观的解决方案 光子计数应用。除了光子计数之外，用户还可以通过使用本文档中所示的步骤并调整可配置的事件检测器以适应特定应用，将时间和频率分析仪用作频率计数器、事件检测器或时间电压转换器。要了解有关时间和频率分析仪的更多信息，请咨询工程师。

脚注

[1] 翁泰. （2018）。等离激元应用中金属纳米结构的 Désordre 控制。 [2] “APD130x 操作手册”，2020 年 2 月 13 日。https://www.thorlabs.com/drawings/10fea885cf23bdb0-AD49B71D-017A-23A7-256FDFF4F821C7B9/APD130A2-Manual.pdf（2024 年 4 月 4 日访问）。

在演示模式下试用 Moku 下载 Moku 应用 → 获取常见问题的答案 访问知识库 → 与全球的 Moku 用户建立联系 加入用户论坛 →