Генерация квантово-коррелированных состояний излучения в терагерцовом и видимом частотных диапазонахНИР

Generation of macroscopic quantum correlated states of light in terahertz and optical frequency rangesrdf

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 5 мая 2017 г.-31 декабря 2017 г. Генерация квантово-коррелированных состояний излучения в терагерцовом и видимом частотных диапазонах
Результаты этапа: 1. Теоретически рассчитана и экспериментально продемонстрирована возможность получения ярких коррелированных пучков-близнецов со временем корреляции 90 фемтосекунд. Оптические пучки-близнецы с ширинами спектра сигнальных и холостых фотонов 35-40 ТГц были сгенерированы в процессе параметрического рассеяния света в режиме высокого усиления в апериодически поляризованном кристалле ниобата лития с квадратично-гиперболической зависимостью вектора доменной решетки от координаты. Показано, что данный вид пространственной модуляции квадратичной восприимчивости кристалла, обеспечивающий компенсацию высших дисперсионных порядков фазового чирпа при генерации сжатого вакуума, позволяет достичь существенного сужения временной корреляционной функции без применения дополнительных модулей для компенсации расстройки групповых скоростей сигнальных и холостых фотонов в нелинейном кристалле. Показано, что число фотонов в широкополосных пучках-близнецах экспоненциально растет с увеличением мощности накачки. Разработана и реализована схема высокоскоростного коррелятора на основе эффекта несинхронной генерации суммарной частоты для измерения времен корреляции пучков сигнальных и холостых фотонов с разрешением 10 фс. 2. Получены общие выражения для зависимостей элементов матрицы рассеяния нелинейного кристалла, чисел фотонов в сигнальных и холостых модах, а также корреляционных функций оптико-терагерцовых бифотонов, генерируемых при спонтанном параметрическом рассеянии в сильно частотно-невырожденном режиме. Расчеты проведены как для коллинеарного, так и неколлинеарного взаимодействия волн, с учетом возможного поглощения холостых волн терагерцового диапазона в кристалле, а также с учетом ограниченности объема взаимодействия: в продольном направлении - за счет длины кристалла и длины пробега холостых волн, в поперечном – за счет гауссовского распределения поля накачки. Для тех частот и размеров объема взаимодействия, при которых поглощение пренебрежимо мало, получено выражение для спектральной амплитуды волновой функции оптико- терагерцовых бифотонов, учитывающее непараксиальный характер геометрии взаимодействия. 3. Получены теоретические соотношения, связывающие угловое распределение спектральной чувствительности нелинейно-оптического терагерцового детектора некогерентного типа с параметрами параметрического преобразователя частоты в случае пространственно-ограниченного сечения накачки с гауссовским профилем. Показано, что многомодовый характер параметрического преобразования в пространственно-ограниченном нелинейном объеме приводит к большим угловым апертурам как холостого излучения, генерируемого при спонтанном параметрическом рассеянии в условиях, максимально удаленных от частотного вырождения, так и большим входным угловым апертурам нелинейно-оптического терагерцового детектора - от единиц до десятков градусов и выше. При этом направленность соответствующего оптического сигнального излучения остается высокой. Фактор возможного неполного заполнения входных рабочих мод преобразователя измеряемым внешним излучением должен учитываться при абсолютной калибровке чувствительности детектора по сигналу параметрического рассеяния. На основании численных расчетов определены частотные зависимости апертур азимутальных и полярных углов терагерцовых волн для различных значений параметров профиля лазерной накачки и длин кристаллов-преобразователей на основе монодоменных и периодически поляризованных Mg:LiNbO3. Показано, что для получения более высокого пространственного разрешения детектора, а также достижения более высокой точности его квантовой калибровки, неколлинеарная схема параметрического взаимодействия является более предпочтительной по сравнению с коллинеарной. 4. Разработаны универсальные методы для аналитических и численных расчетов термо-оптических параметров и распределения температуры внутри нелинейного кристалла, накачиваемого периодическими лазерными импульсами. В качестве примера проведены численные расчеты для ряда лазерных схем импульсно-периодического действия, применяющихся при нелинейно-оптической генерации терагерцовых волн и параметрическом рассеянии в терагерцовом диапазоне частот холостых фотонов. Рассчитаны распределения температур при коллинеарных процессах в кристаллах двух противоположных видов – имеющих формы протяженного цилиндра и тонкого диска, а также в трех вариантах неколлинеарной схемы черенковского типа с боковым выведением терагерцового излучения через призменный адаптер. 5. Разработаны и апробированы экспериментальные схемы наблюдения сигнального излучения оптического диапазона, генерируемого при параметрическом рассеянии в условиях двух вариантов непрерывной лазерной накачки - излучением газового лазера на длине волны 514.5 нм и излучением диодной лазерной системы на длине волны 795 нм. Впервые разработан и реализован метод оптимального подавления излучения полупроводниковых диодных лазеров на входе системы регистрации сигнального излучения параметрического рассеяния и преобразования частоты внешнего терагерцового излучения. Измерены частотно-угловые спектры параметрического рассеяния света на сигнальных частотах, соответствующих терагерцовым частотам холостых волн, в монодоменных и полидоменных кристаллах в режимах фазового синхронизма и квазисинхронизма. Осуществлено некогерентное детектирование внешнего холостого излучения от лампы обратной волны на частотах, перестраиваемых в двух диапазонах: 248-258 ГГц и 158-160 ГГц. Определены зависимости фактора заполнения мод от частоты. 6. Разработана экспериментальная схема регистрации холостого излучения терагерцового диапазона, генерируемого при параметрическом рассеянии с накачкой от импульсно-периодического твердотельного лазера на длине волны 1.053 мкм с пиковой мощностью до 80 кВт. Впервые проведена прямая регистрация излучения параметрического рассеяния на терагерцовых частотах. 7. Подготовлены к печати 4 статьи в изданиях, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science), «Скопус» (Scopus) и РИНЦ: 1) G.Kh. Kitaeva, E.V. Moiseenko, A.V. Shepelev. Temperature variation induced by the pulsed-periodic laser pumping under terahertz wave generation. Laser Physics Letters, v. 14, No. 9, p. 095401 (2017) 2) G.Kh. Kitaeva, V.V. Kornienko. Strongly non-degenerate spontaneous parametric down-conversion for calibration of terahertz-wave detectors. International Journal o f Quantum Information (Manuscript # IJQI-D-17-00167R1, статья принята к публикации) 3) V.V. Kornienko, G.Kh. Kitaeva, F. Sedlmeir, H.G. L. Schwefel. Towards terahertz detection and calibration through spontaneous parametric down-conversion in the terahertz idler-frequency range generated by a 795 nm diode laser system. APL Photonics (Manuscript # APP17-THZ17-0022, under review) 4) M.V. Chekhova, S. Germanskiy, D.B. Horoshko, G.Kh. Kitaeva, M.I. Kolobov, G. Leuchs, Ch.R. Phillips, P.A. Prudkovskii. Broadband bright twin beams and their up-conversion. Optics Letters (Manuscript # 309564, under review) 8. Проведены все мероприятия для заказа по закупке оптического криостата замкнутого цикла на основе крио- рефрижератора RDK-101D и сверхпроводникового болометра HEB 0.3-3 терагерцового диапазона, необходимых для выполнения работ по этапам проекта 2018 г. и 2019 г. Заключен договор (№ 87729082090170004190000) с АО Сконтел. Поставка в декабре 2017 г. 9. Результаты работ доложены и опубликованы в сборниках тезисов следующих конференций: Quantum 2017 From Foundations of Quantum Mechanics to Quantum Information and Quantum Metrology & Sensing (Турин, Италия, 7 -13 мая 2017 г.) Kitaeva G.Kh, Kornienko V.V. Strongly non-degenerate spontaneous parametric down-conversion for calibration of terahertz- wave detectors. XI международный симпозиум по фотонному эхо и когерентной спектроскопии (ФЭКС – 2017, г. Светлогорск Калининградской обл. 16 – 21 cентября 2017 г.) Прудковский П.А., Китаева Г.Х., Кузнецов К.А., Фокин М.С., Брехов К.А., Гришунин К.А., Мишина Е.Д. Коническая неустойчивость в фоторефрактивных кристаллах SPS. 26th Annual International Laser Physics Workshop (Казань, 17-21июля 2017 г.) Chekhova M.V., Germanskiy S., Horoshko D.B., Kolobov M.I., Kitaeva G.Kh, Leuchs G.F., Phillips Ch. Ultrabroadband Twin Beams and Their Up-Conversion. 15th International Conference on Squeezed States and Uncertainty Relations (Jeju, Korea, 28 Aug - 1 Sep 2017) Horoshko D.B., Kolobov M.I., Phillips C.R., Germanskiy S.A., Kitaeva G.Kh, Leuchs G., Chekhova M.V. Generation of monocycle squeezed states of light. CLEO®/Europe-EQEC 2017 the Conference on Lasers and Electro-Optics/Europe and the European Quantum Electronics Conference (25 - 29 June 2017, Munich, Germany) Germanskiy S., Phillips C., Horoshko D.B., Kolobov M., Kitaeva G., Leuchs G., Chekhova M. Generation of few-cycle squeezed light. X Международная конференция молодых ученых и специалистов "Оптика-2017" (Санкт-Петербург, 16 - 20 октября 2017) Новикова Т.И., Корниенко В.В., Китаева Г.Х. Метод нелинейно-оптической несинхронной регистрации терагерцового излучения.
2 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Генерация квантово-коррелированных состояний излучения в терагерцовом и видимом частотных диапазонах
Результаты этапа: 1. Исследованы частотные корреляции в широкополосных «пучках-близнецах», генерируемых в апериодически поляризованных образцах ниобата лития. По сравнению с периодически поляризованным образцом, наблюдалось уширение спектров в 30 раз – с 1.3 ТГц до 40 ТГц, что составляет рекордную величину для частотно-невырожденного параметрического рассеяния. Полученное число Шмидта составило К=40, что является только нижней оценкой. Теоретически и экспериментально показано, что эффект истощения накачки приводит к уширению спектра пучков-близнецов, рождающихся в процессе параметрического рассеяния в нелинейном кристалле с апериодической доменной структурой с обратно-квадратичным законом изменения вектора обратной решетки. Также показано теоретически, что интенсивное истощение накачки в этом случае приводит к независимости интенсивности накачки на выходе из кристалла от ее интенсивности на входе. Рассчитана форма когерентного пика в сигнале суммарной частоты пучков близнецов, показано, что уширение их спектра, вызванное эффектом истощения накачки при их генерации, позволяет уменьшить ширину когерентного пика до 40 фс даже без компенсации фазового набега. 2. Для спонтанного параметрического рассеяния света в сильно частотно-невырожденном режиме рассчитаны а) корреляционные функции первого порядка, описывающие числа сигнальных и холостых фотонов в одной плоской моде и соответствующие мощности потоков излучения, б) корреляционные функции второго порядка, описывающие относительные корреляции интенсивности сигнального и холостого излучения, а также корреляции показаний узкополосных детекторов соответствующих частот, в) факторы подавления шума разностного фототока при детектировании полей оптических и терагерцовых частот, рождающихся в неколлинеарных схемах спонтанного параметрического рассеяния света на поляритонах. Установлены зависимости степени корреляции оптических сигнальных и терагерцовых холостых фотонов от дисперсионных параметров, поглощательной способности и температуры кристалла в условиях многомодового параметрического взаимодействия в пространственно-ограниченном нелинейном объеме. Показано, что угловой (модовый – в терминах плоских мод) состав коррелированных разночастотных полей существенным образом различается. Полярный угол расходимости длинноволнового холостого излучения, как правило, много больше соответствующего угла расходимости оптического сигнального излучения. Азимутальные углы расходимости при неколлинеарной геометрии зависят от структуры тензора квадратичной восприимчивости и совпадают для взаимодействия типа 0. Определены пути уменьшения угла расходимости холостого излучения за счет увеличения объема нелинейного взаимодействия в кристалле. Предложены подходы для предотвращения потерь при доставке холостых фотонов от кристалла к детектору, связанных с полным внутренним отражением части широкоугольного холостого излучения от граней кристалла. 3. Впервые показана возможность прямой экспериментальной регистрации мощности терагерцового холостого излучения, генерируемого при параметрическом рассеянии света в условиях предельно низкого коэффициента параметрического усиления – вплоть до значений порядка 1. Это соответствует рекордно низким экспериментально зарегистрированным потокам фотонов терагерцовой частоты с яркостью 1 фотон на моду. Впервые измерено угловое распределение холостого терагерцового излучения, генерируемого при параметрическом рассеянии света в сильно частотно-невырожденном режиме. Экспериментально определено поведение частотно-угловых спектров интенсивности стоксового и антистоксового рассеяния света на поляритонах терагерцовых частот в области 0.1-7 ТГц при изменении температуры нелинейного кристалла в широком диапазоне от 300К до 4К. При низких температурах вблизи 4 К впервые продемонстрировано полное исчезновение антистоксовой ветви (при одновременном наблюдении стоксовой ветви сигнала), что свидетельствует о существенном подавлении классических тепловых флуктуаций и доминирующем вкладе квантовых флуктуаций электромагнитного поля в процесс параметрического рассеяния света при данных температурах. Измерены температурные зависимости соотношения вкладов от параметрического рассеяния и параметрического усиления теплового шума. 4. Разработана схема нелинейного интерферометра Маха-Цандера с трехволновой интерференцией, основанная на двух нелинейных кристаллах ниобата лития, разделенных кристаллической прослойкой. Получены профили и веса мод Шмидта при различных параметрах интерферометра и обнаружены особенности пространственного распределения и корреляций оптических и терагерцовых фотонов в режиме высокого усиления. Теоретически продемонстрировано существенное ослабление нелинейного сигнала на выходе интерферометра при определенных углах и на определенных частотах за счет эффекта деструктивной интерференции. Продемонстрирована возможность применения схемы нелинейного интерферометра Маха-Цандера для измерения дисперсии диэлектрической проницаемости и показателя преломления материалов в терагерцовом диапазоне. 5. Разработан теоретический подход для описания пространственных свойств и корреляций фотонов, генерируемых при параметрическом рассеянии в сильно невырожденном режиме, основанный на формализме мод Шмидта. Данный подход позволяет описывать пространственные свойства и корреляции фотонов как в спонтанном, так и в вынужденном режимах сильно невырожденного по частоте параметрического рассеяния. Найдена аналитически эволюция операторов фотонов в модах Шмидта и на основе этого вычислены различные характеристики оптико-терагерцовых полей, которые могут быть измерены экспериментально: пространственное распределение нелинейного сигнала, ковариации, характеризующие пространственные корреляции фотонов, и др. В зависимости от длины кристалла и параметров накачки были обнаружены различные режимы, в том числе режим частичного подавления корреляций, характеризующийся только азимутальным перепутыванием фотонов. Данный режим может быть использован для управления и манипулирования азимутальными модами.
3 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Генерация квантово-коррелированных состояний излучения в терагерцовом и видимом частотных диапазонах
Результаты этапа: 1. Показано, что временной интервал, на который пучки-близнецы обгоняют импульс накачки в процессе их генерации при спонтанном параметрическом рассеянии, в два раза меньше, чем это следовало бы в приближении линейной дисперсии рассеивающей среды. Показано, что нелинейное взаимодействие между различными спектральными компонентами широкополосных пучков-близнецов, рождающихся в кристалле с чирпированной апериодической доменной структурой, приводит к их сложной временной форме, которую необходимо учитывать для оптимизации их дальнейшего взаимодействия во втором нелинейном кристалле. Наблюдалась интерференционная структура спектра на выходе нелинейного интерферометра, образованного двумя чирпированными кристаллами ниобата лития, помещенными в общий интенсивный пучок накачки. Таким образом, впервые был реализован широкополосный нелинейный [SU(1,1)] интерферометр на базе чирпированных кристаллов. Продемонстрирована возможность измерения дисперсии групповой скорости волн в прозрачном плоскопараллельном образце, помещенном в интерферометр, по сдвигу интерференционных полос в диапазоне полосы 815-835 нм. 2. Теоретически рассчитана достижимая в реалистичных экспериментальных условиях величина степени корреляции фотонов оптических и терагерцовых частот, генерируемых при параметрическом рассеянии света. Показано, что существует оптимальная частота терагерцового излучения, обеспечивающая для данного кристалла при данной температуре максимум степени корреляции. Показано, что из-за особенностей условия пространственного синхронизма при сильно невырожденном параметрическом рассеянии, оптимальные угловые характеристики детектируемого излучения, обеспечивающие регистрацию сопряженных мод сигнального и холостого излучения, существенно различаются по полярным углам, но при этом приблизительно одного порядка по азимутальным углам. Обнаружено, что большой проблемой, существенно усложняющей регистрацию корреляции оптических и терагерцовых фотонов, является большое число регистрируемых продольных мод терагерцового излучения, уменьшение которого при современных возможностях регистрации терагерцуового излучения представляет собой сложную задачу. Показано, что для достижения высоких значений корреляций необходимо охлаждение кристалла ниже некоторой критической температуры (для кристалла ниобата лития длиной 1 см имеющей величину порядка нескольких градусов Кельвина), при которой вклад тепловых флуктуаций поля на холостых частотах становится существенно меньше квантовых флуктуаций. Величина критической температуры тем выше, чем меньше поглощение кристаллом холостых волн на заданной терагерцовой частоте, однако падает при уменьшении частоты в терагерцовом диапазоне. 3. Разработана, создана и апробирована экспериментальная установка для прямых измерений корреляционных свойств оптико-терагерцовых бифотонов, генерируемых при параметрическом рассеянии света в кристаллах Mg:LiNbO3, охлажденных до температур 4.5 – 5 К, под действием накачки от второй гармоники импульсного Nd:YLF - лазера на длине волны 523.25 нм. Детектирование холостых фотонов в пределах выделенной полосы терагерцовых частот в установке производится с помощью сверхпроводникового болометра на горячих электронах, фотонов сигнального излучения на сопряженных частотах видимого диапазона – с помощью фотоэлектронного умножителя; данные обоих приемников обрабатываются в стробируемых интеграторах тока последовательно для интервалов времени детектирования, соответствующих каждому импульсу накачки, и передаются на компьютер. Нормированная корреляционная функция генерируемого оптико-терагерцового бифотонного поля определяется по результатам статистической обработки полного пакета переданных данных с помощью разработанной специализированной программы. В проведенных измерениях на частоте холостого излучения 2 ТГц впервые зарегистрировано превышение нормированной корреляционной функции оптико-терагерцовых бифотонов над классическим пределом. Проведенный анализ возможности управления режимом параметрического рассеяния и уменьшения коэффициента параметрического усиления за счет изменения характеристик экспериментальной установки показал эффективность перехода на более высокочастотную накачку при необходимости сохранения минимального уровня мощности детектируемого терагерцового излучения. Экспериментально продемонстрирована возможность работы в режиме спонтанного параметрического рассеяния света с рекордно низкими для терагерцового диапазона холостых волн значениями коэффициента усиления (до 0.25). Сформирована программа дальнейшего усовершенствования установки для увеличения значений наблюдаемых корреляций путем снижения числа пространственных и частотных мод детектирования в каждом канале через переход на импульсную накачку пикосекундной длительности и путем увеличения отношения сигнал/шум при детектировании сигналов как оптического, так и терагерцового трактов. 4. Разработан теоретический подход для описания пространственных свойств и корреляций фотонов, генерируемых при параметрическом рассеянии в сильно невырожденном режиме в схеме с нелинейным интерферометром, основанный на формализме мод Шмидта. Разработан метод селективного выделения различных пространственных мод сжатого терагерцового и оптического излучения, генерируемого в процессе частотно-невырожденного параметрического рассеяния в схеме с нелинейным интерферометром, основанный на подсветке оптического канала в нужной моде Шмидта с одновременным усилением терагерцового сжатого света в сопряженной пространственной моде. На основе данного метода удалось получить усиление терагерцового излучения в моде с достаточно узким распределением по полярному углу, которое не испытывает полного внутреннего отражения в кристалле и может быть детектировано с минимальными потерями. Продемонстрировано, что в случае подсветки одновременно нескольких мод Шмидта пространственное распределение сигнала на выходе определяется не только плотностью вероятности подсвеченных мод, но и интерференционным слагаемым, которое зависит от фазы подсветки с каждой из этих мод. Это дает возможность управлять угловым распределением выходного оптического и терагерцового излучения за счет изменения фазы подсветки. 5. Разработан теоретический подход для анализа взаимовлияния процессов параметрического рассеяния в сильно невырожденном режиме и генерации суммарной частоты за счет наличия общих пространственных терагерцовых мод. Получены решения для эволюции фотонных операторов в модах Шмидта и пространственные распределения сигналов. Обнаружены сильные корреляции между генерируемыми стоксовыми и антистоксовыми компонентами по азимутальному углу. На основе обнаруженных корреляций предложен способ получения информации о характеристиках неклассического терагерцового излучения. Продемонстрировано, что информацию о фотонной статистике и квадратурном сжатии генерируемого терагерцового излучения можно получить на основе измерения двухчастичных распределений по числу фотонов для стоксовых и антистоксовых компонент.
4 26 мая 2020 г.-31 декабря 2020 г. Генерация квантово-коррелированных состояний излучения в терагерцовом и видимом частотных диапазонах
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".