Hanbury BrownとTwissの実験にタイム&周波数アナライザを使用する

モク タイム&周波数アナライザ (TFA) は、設定可能な開始イベントと停止イベント間の間隔を ps 未満の精度で測定します。TFA を使用すると、間隔の継続時間のロスレス ヒストグラムをリアルタイムで計算できるため、 フォトンカウンティング 後処理でのみグラフを計算するのではなく、実験の進行状況をリアルタイムで確認できます。リアルタイム ヒストグラムを入力することで、光子のバンチングまたはアンチバンチングの動作を観察し、2 次相関関数を調査し、光子源のコヒーレンス特性を分析できます。この機能の 1 つのアプリケーションである Hanbury Brown および Twiss 実験は、リアルタイム ヒストグラム生成の理想的な使用例です。

Hanbury Brown and Twiss (HBT) 実験の背景

ハンバリー・ブラウン・アンド・ツイス（HBT) 実験では、科学者は 2 つの検出器を異なる場所に設置し、離れた光源から発せられる 2 つの分割光子ビームを観察します。一方のビームはもう一方のビームとは異なる経路長を進むため、2 つの検出器への光子の到着には時間的なずれが生じます。実験者は、各検出器に到着する光の強度を時間の関数として測定します。次に、2 つの検出器によって記録された強度の相関関係を分析します。HBT 干渉計は、天文学、量子情報処理、量子通信などのアプリケーションで光の量子的性質を検証するのに役立ちます。_【1]

光が古典的に動作する場合、1 つの検出器によって検出された強度には相関がないはずです。ただし、量子力学では、光子はバンチング動作または反バンチング動作のいずれかを示す可能性があります。バンチングはフォトンが一緒に到着する傾向を指しますが、アンチバンチングはフォトンが一緒に到着することを避ける傾向を指します。検出された光子がバンチングを示している場合は、それらが相関していることを示唆しており、光子が同時に検出器に到達する可能性が高いことを意味します。逆に、図 XNUMX のヒストグラムに見られるように、それらが反バンチングを示している場合は、それらが逆相関していることを意味し、同時に到着する可能性が低いことを意味します。ヒストグラムを使用して光子の到着時間を観察することにより、研究者は、異なる検出器によって検出された光子間の重要な空間的および時間的相関を判断できます。

図 1: アンチバンチング動作を示す連続する光子ペア間の時間遅延のヒストグラム

Moku Time & Frequency Analyzer を使用して HBT 実験の光子計数を実行することにより、研究者は FPGA ベースの再構成可能なハードウェアを利用できます。このフォームファクターにより、デッドタイムゼロの測定、リアルタイムのロスレスヒストグラムを備えた直感的なユーザーインターフェイス、および必要なデータを収集した後にさらなる分析を実行するための埋め込みデータロギングが可能になります。

Hanbury Brown と Twiss の実験での Moku 時間 & 周波数アナライザーの使用

材料とハードウェア構成

• フォトンエミッター
• 50:50 ビームスプリッター
• 光検出器
• モク デバイス

ハンベリー・ブラウンとツイスの構成

図 2: Hanbury Brown and Twiss (HBT) 実験ハードウェアのセットアップ

図 2 に示すように、エミッタはビーム スプリッタに向かって光子を送信します。そこから、ビームは 1 つの経路に分岐します。1 つの経路は光検出器 2 (D2) に向けられ、もう 1 つはより長い経路を光検出器 1 (D2) に向けられます。 ）。 D2 から Moku デバイスの入力 XNUMX にパスを接続します。 DXNUMX から Moku デバイスの入力 XNUMX にパスを接続します。

フォトンカウンティング用の時間および周波数分析装置のセットアップ

1. Moku アプリで、Time & Frequency Analyzer を開きます。
2. [イベント] タブで、取得モードを [連続] に設定します。
3. 図 3 に示すように、間隔を開始するようにイベント A を構成します。これはパス 1 に対応します。
   1. ソースを入力 1 に設定します。
   2. 光検出器のパルスに対応するしきい値を設定します。アバランシェ光検出器などの光検出器の場合、出力電圧は入射光パワー P の関数です。_オプト、検出器の感度 R_M特定の波長および M ファクターでの (λ)、およびトランスインピーダンス ゲイン G。 _【2]
   3. パルスを検出するにはEdgeをRisingに設定します。
      

      図 3: イベント A とイベント B の構成

4. イベント B を設定して間隔を終了します。これはパス 2 に対応します。
   1. ソースを入力 2 に設定します。
   2. 光検出器のパルスに対応するしきい値を設定します。
   3. パルスを検出するにはEdgeをRisingに設定します。
   4. 必要に応じて、ホールドオフ時間を設定します。この機能は、検出器が短い時間枠内で連続したパルスを記録することを防ぎ、個々の光子イベントを区別するのに役立ちます。
5. 図 4 に示すように間隔を構成します。フォトンの到着間の時間により、フォトン間の考えられる相関関係を判断し始めることができます。
   1. [間隔] タブで、間隔 A をイベント A で開始し、イベント B で終了するように設定します。
      

      図 4: 開始イベントであるイベント A から終了イベントであるイベント B までの間隔の設定

6. 未処理のイベント タイムスタンプをログに記録するためのデータ ログを設定する
   1. データロガーアイコンを押して、内蔵データロガーを使用してデータをログに記録します。ログパラメータ (開始、期間、ファイル名など) を設定し、内部ストレージへのログを開始します。ファイル マネージャーを使用してログ データをダウンロードし、CSV、HDFS、MATLAB、または NumPy ファイルに変換して、簡単にエクスポートして処理できるようにします。
7. ロスレスのリアルタイムヒストグラムを構成する
   1. ヒストグラム ビューで、設定アイコンをクリックして、図 5 に示すヒストグラム設定を構成します。デバイス上のヒストグラムはリアルタイムで計算されます。つまり、実験結果は測定と並行して生成されます。
      

      図 5: デバイス上のヒストグラム設定

   2. ヒストグラム表示を自動スケールするには、「開始/停止の自動設定」を選択します。 「常に自動スケール」をオンにすることも選択できます。

結論

フォトンカウンティング実験を行う場合、意味のある結果を得るにはフォトン検出器の構成が困難であったり、複雑なデータ操作が必要になることがよくあります。モク タイム&周波数アナライザ ハンバリーブラウンとツイス実験やその他の実験に使いやすく直感的なソリューションを提供します。 フォトンカウンティングアプリケーション。ユーザーは、フォトン カウンティングに加えて、本書に示されている手順を使用し、特定のアプリケーションに合わせて構成可能なイベント ディテクタを調整することにより、時間 & 周波数アナライザを周波数 カウンタ、イベント ディテクタ、または時間 - 電圧コンバータとして使用できます。 Time & Frequency Analyzer の詳細については、エンジニアにお問い合わせください。

脚注

[1] ウン、ティ。 （2018年）。プラズモニークでの応用のためのナノ構造金属の制御を実現します。

[2] 「APD130x 操作マニュアル」、13 年 2020 月 10 日。 https://www.thorlabs.com/drawings/885fea23cf0bdb49-AD71B017D-23A-7A256-4FDFF821F7C9B130/APD2A04-Manual.pdf (2024 年 XNUMX 月 XNUMX 日にアクセス) 。