Спектроскопия квантовых и статистических свойств систем с самовоздействием НИР

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
14 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. Спектроскопия квантовых и статистических свойств систем с обратной связью и процессов с самовоздействием светового поля
Результаты этапа: 4.1. Теоретически и экспериментально показано, что поляризационная функция квазивероятности проявляет неклассические свойства (сингулярность и отрицательность) для любых состояний светового поля. Это связано с определением поляризационной функции квазивероятности в терминах дискретнозначных операторов Стокса. Сингулярности и отрицательные значения неизбежно возникают при реконструкции квазивероятности из экспериментальных распределений фотоотсчетов однофотонных детекторов (т.н. поляризационной квантовой томографии). Поляризационная квантовая томография реализована в эксперименте для слабого когерентного состояния. Предложены алгоритмы, позволяющие свести к минимуму артефакты обработки данных. 4.2. На основе нелинейного интерферометра, состоящего из двух последовательно расположенных кристаллов, в которых происходит параметрическое рассеяние с высоким коэффициентом параметрического усиления, создан источник яркого сжатого вакуума с изменяемым числом поперечных мод. Число мод зависит от расстояния между кристаллами и достигает 1.1 в минимуме. Теоретически и экспериментально показано, что при помещении в пространство между кристаллами диспергирующей среды изменяется и число продольных мод. Наблюдается сужение спектра генерации, причем ширина спектра обратно пропорциональна дисперсии групповой скорости и длине среды. 4.3 Наблюдалось гигантское усиление пучков-близнецов при параметрическом рассеянии в направлении поперечного сноса накачки, а также на длине волны, где выполнено условие согласования групповых скоростей накачки и сигнальнойго излучения. В результате интенсивность обоих пучков увеличивается более чем на 2 порядка, а их расходимость уменьшается до близкой к дифракционной. 4.4 С помощью матричного однофотонного детектора (ICCD камеры) исследовано излучение коллоидных квантовых точек CdS/CdSe и их кластеров. Показано, что количество точек в кластере можно определить по величине нормированной корреляционной функции второго порядка. Наблюдалось выполнение признаков неклассичности Клышко в терминах корреляционных функций высших порядков. 4.4. Исследованы нелинейно-оптические схемы, предназначенные для детектирования непрерывного терагерцового излучения и измерения спектральной яркости фотомиксеров неперывного действия в диапазоне частот 0.4 - 2 ТГц. 4.5. Проведено экспериментальное сравнение эффективностей когерентных и некогерентных схем детектирования импульсного терагерцового излучения. Показано, что эффективность пробно-энергетической схемы когерентного электро-оптического детектирования может быть увеличена более чем на порядок величины благодаря спектральной фильтрации пробных лазерных импульсов. 4.6. Проведен теоретический анализ условий, необходимых для наблюдения перепутанных состояний поля оптических и терагерцовых частот при частотно-вырожденном параметрическом рассеянии света. Рассмотрено поведение корреляционной функции оптико-терагерцовых бифотонов и фактора подавления шума разностного фототока при различных температурах в зависимости от параметров нелинейного кристалла и излучения накачки. Показано, что основным фактором, определяющим возможность наблюдения неклассических свойств оптико-терагерцовых бифотонных полей является температура термостата, в котором находятся кристалл и детекторы. Пороговая температура зависит от коэффициента поглощения кристалла на частоте терагерцового поля и в большинстве случаев не превышает 10К. 4.7. Разработаны и апробированы методы адаптивной квантовой томографии на основе байесовского подхода. Методы апробированы на примере квази-однофотонных поляризационных состояний света. Показано существенное увеличение скорости сходимости оценки точности восстанавливаемых состояний при росте числа измерений N - в соответствии с теоретическими оценками (порядка N-1) 4.8. Разработаны методы управления пространственными корреляциями двухфотонных и тепловых полей на основе мод Шмидта и когерентных мод. Методики апробированы для двадцати низших пространственных мод Эрмита-Гаусса. 4.9 Разработаны методы получения двухфотонных полей с широким (до 160ТГц) спектром. Одна методика основана на введение пространственного градиента показателя преломления вдоль кристалла, в котором генерируются бифотоны. Градиент возникает за счет электро- и термооптического эффектов. Вторая методика основана на введении в излучение спонтанного параметрического рассеяния частотно-угловой дисперсии (дифракционной решетки). Адекватность обеих моделей подтверждена экспериментами. 4.10. Создан макет системы квантовой релятивистской криптографии, в котором секретность распределенных ключей гарантируется не только законами квантовой механики, но и специальной теорией относительности. Макет обеспечивает распределение ключей на расстоянии не менее 50 м с тактовой частотой 20 кГц.
15 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Спектроскопия квантовых и статистических свойств систем с обратной связью и процессов с самовоздействием светового поля
Результаты этапа: 4.1. Исследован оптический отклик сегнетоэлектрических кристаллов Mg:LiNbO3 с различной концентрацией примеси Mg и поляронных состояний в терагерцовом диапазоне частот 0.1 – 3 ТГц. Показано, что существенное снижение коэффициента поглощения терагерцовых волн при легировании кристаллов ниобата лития ионами Mg вызвано изменением дефектной структуры и уменьшением связи поляритонов с релаксационной модой Дебая. 4.2. Исследовано влияние эффектов рассеяния терагерцовых волн в пространственно-неоднородных смесях на временные формы и спектры сигналов терагерцовой спектроскопии временного разрешения. Разработана схема анализа данных терагерцовой спектроскопии временного разрешения для дистанционной диагностики состава гранулированных материалов. 4.3. Предложен и реализован новый подход при электрооптическом детектировании терагерцовых волн, основанный на спектральной фильтрации излучения оптической накачки детектора. Продемонстрировано увеличение спектральной чувствительности детектирования более чес на порядок величины на частотах свыше 2 ТГц. 4.4 Реализован метод получения двухфотонных полей с широким (до 120ТГц) спектром в одной пространственной моде. Метод основан на введении в излучение спонтанного параметрического рассеяния частотно-угловой дисперсии (дифракционной решетки). 4.5. Создан макет генератора случайных чисел. Макет обеспечивает генерацию случайной битовой последовательности со скоростью 1.2Мб/с. 4.6. Разработан и апробирован метод генерации пространственных состояний Белла на основе управления пространственным спектром накачки в процессе спонтанного параметрического рассеяния света. Существенной особенностью метода является отсутствие пост-селекции генерируемых состояний. 4.7. Предложен и реализован метод нелинейной спектроскопии, основанный на трехфотонной интерференции. Метод апробирован на газовых смесях N2 и CO2. 4.8. Собрана установка для гомодинного детектирования яркого сжатого вакуума. Проведены тестовые измерения с двухмодовым когерентным светом. 4.9. Теоретически и экспериментально исследованы корреляции по числам фотонов в ярких квантовых состояниях света, получаемых за счет параметрического рассеяния и четырехволнового смешения с высоким коэффициентом параметрического усиления. Важное преимущество таких состояний – их многомодовая структура, а также отсутствие классической (когерентной) компоненты. Все это делает их интересными для передачи квантовой информации с высокой емкостью. Для теоретического описания таких состояний использован полностью аналитический подход на основе мод Шмидта. Подход применим с режиме как малого, так и большого коэффициента параметрического усиления и хорошо описывает результаты экспериментов с яркими пучками (число фотонов на моду до 1010). 4.10. В нелинейном интерферометре Майкельсона при помещении в одно из плеч диспергирующей среды (20-сантиметрового стержня стекла SF57) наблюдалось 20-кратное сужение спектра яркого сжатого вакуума. При этом по величине нормированной корреляционной функции второго порядка было измерено число продольных мод, составившее 1.8. 4.11. Реализована проекционная фильтрация одной моды из пространственного спектра яркого сжатого вакуума. В качестве фильтра использовалось одномодовое оптическое волокно. Качество фильтрации оценивалось по измеренному пропусканию для излучения параметрической сверхлюминесценции.
16 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Спектроскопия квантовых и статистических свойств систем с обратной связью и процессов с самовоздействием светового поля
Результаты этапа: 1. Разработана и собрана экспериментальная установка для гомодинного детектирования яркого сжатого вакуума. Проведены калибровочные измерения с когерентным полем. Исследована роль модового состава детектируемого излучения. Показано, что за счет наличия мод, не согласованных с излучением гомодина, появляется шум. Однако его величину можно уменьшить за счет увеличения амплитуды гомодина. 2. На основе нелинейного интерферометра майкельсоновского типа, в который помешена среда с дисперсией групповой скорости, создан источник яркого сжатого вакуума с изменяемым числом продольных (частотных) мод. Число мод зависит от величины дисперсии и длины среды и изменяется от 60 (в отсутствии диспергирующей среды) до 1.8 (при наличии 40 см стекла SF57). Наблюдается сужение спектра генерации, причем ширина спектра обратно пропорциональна дисперсии групповой скорости и длине среды. 3. На основе эффекта гигантского усиление пучков-близнецов при параметрическом рассеянии в направлении поперечного сноса накачки создан перестраиваемый источник импульсного излучения в области спектра 1.3-2 мкм. 4. Исследовано влияние образования поляронов и эффектов фоторефракции при воздействии оптических импульсов фемтосекундной длительности на сегнетоэлектрические кристаллы. Обнаружено ранее не наблюдавшееся явление конической неустойчивости в схеме с одним пучком накачки в фоторефрактивном кристалле-сегнетоэлектрике Sn2P2S6 (SPS) при облучении фемтосекундными импульсами лазерной накачки на длинах волн 0.7-1 мкм. Показано, что в определенном интервале изменения средней мощности накачки (от 180 МВт/см2 и выше) падающее излучение полностью рассеивается в узкие конусы с углами, непосредственно зависящими от интенсивности накачки. 5. Разработана компактная схема импульсной терагерцовой спектроскопии для исследования дисперсионных характеристик кристаллов и диагностики состава порошкообразных и гранулированных материалов. Исследованы схемы генерации и детектирования для установок импульсной терагерцовой спектроскопии, работающих на основе малогабаритных волоконных лазерных источников фемтосекундной накачки. Показано, что оптимальной схемой генерации терагерцовых волн методом оптического выпрямления фемтосекундных импульсов на длине волны 1.56 мкм является черенковская схема на основе кристаллов LiNbO3:Mg с боковым призменным выведением терагерцового излучения. Спектр излучения при маломощной накачке от фемтосекундного волоконного Er3+-лазера с энергией в импульсе порядка 3 нВт занимает диапазон 0.1- 1ТГц. 6. Исследованы спектры терагерцового излучения, генерируемого эпитаксиальными плёнками LT-InGaAs при накачке фемтосекундным волоконным Er3+-лазером на длине волны 1.56 мкм. Обнаружено, что генерация терагерцового излучения слоями LT-InGaAs на подложках InP (411)A в 3–5 раз эффективнее, чем такими же слоями на подложках InP (100). 7. На примере детектирования излучения от лавинно-пролетного диода впервые экспериментально продемонстрирована возможность нелинейно-оптического детектирования терагерцового излучения в отсутствие какого-либо согласования фаз излучения источника и оптической накачки детектора. Анализ спектров спонтанного параметрического рассеяния накачки показал принципиальную возможность частотно-селективного детектирования излучения в диапазоне до 2 ТГц и выше путем измерения оптических сигналов на разностных (стоксовых) и суммарных (анти-стоксовых) частотах.. 8. Разработаны методы изготовления активных интегральных термооптических фазовращателей и сопутствующей управляющей электроники. Продемонстрирован образец активного интегрального термооптического элемента и проведена калибровка его параметров. 9. Разработана методика томографии состояния оптического кудита, закодированного в базисе чисел заполнения мод волноводов, расположенных на оптическом чипе. 10. Разработаны и протестированы методы приготовлением тепловых состояний за вычетом N фотонов. Методом квантовой томографии измерены получившиеся состояния вплоть до N=10 c точностью idelity) не хуже 98%. 11. Измерена экстинкция одиночного атома рубидия Rb87, захваченного в микродипольную ловушку. 12. Разработаны методы адаптивной томографии состояний высокой (d>2) размерности.
17 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Спектроскопия квантовых и статистических свойств систем с обратной связью и процессов с самовоздействием светового поля
Результаты этапа: 1 При генерации 4й оптической гармоники и суперконтинуума от излучения параметрического рассеяния света получено гигантское усиление флуктуаций интенсивности. Измерены значения корреляционной функции второго порядка, достигающие 100 и 150, соответственно. Наблюдалось распределение числа фотонов по степенному закону с показателем около 2, характерное для так называемых «экстремальных событий», для которого не определены моменты начиная со второго. 2 Исследован спектр орбитального углового момента для яркого сжатого вакуума на выходе интерферометра SU(1,1), составленного из 2х параметрических усилителей (ПУ) без подсветки. Показано, что формой спектра можно управлять, меняя расстояние между кристаллами и мощность накачки. 3 При параметрическом рассеянии в апериодически поляризованном кристалле ниобата лития наблюдались яркие пучки-близнецы с экспоненциальной зависимостью числа фотонов в зависимости от мощности накачки. Показатель экспоненты при этом пропорционален мощности, а не амплитуде накачки, как в случае однородных кристаллов. 4 Показано, что эффект конической дифракции при формировании фотоиндуцированных решеток в фоторефрактивных кристаллах объясняется усилением слабых мод рассеянного света в поле двух сильных пучков накачки (прямого и возникающего в кристалле обратного) в направлениях, в которых два фазовых набега - обусловленные фоторефрактивной модуляцией показателя преломления и ненулевой поперечной компонентой волнового вектора - компенсируют друг друга. 5 Показано, что спектры пропускания порошкообразных материалов характеризуются более высокой чувствительностью к наличию молекулярных резонансов веществ, чем спектры отражения. Измерена дисперсия диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрического кристалла Sn2P2S6в терагерцовом диапазоне частот для волн с поляризацией, ортогональной поляризации мягкой моды. Развита теория некогерентного детектирования терагерцовых волн в нелинейном кристалле в многомодовом режиме под действием непрерывного лазерного возбуждения. 6 Разработаны фотопроводящие антенны для генерации терагерцовых волн от фемтосекундной и пикосекундной лазерной накачки на длине волны 1.56 мкм на основе тонких пленок низкотемпературного и высокотемпературного InGaAs, выращенных на подложках GaAs с ориентацией кристаллографических осей <111> A и <100>. 7 Разработаны методы преобразования статистики многомодового излучения на оптических чипах. Разработан и изготовлен чип, выполняющий произвольное унитарное преобразование размерности 4х4 (четыре входа, четыре выхода). Преобразователь включает 12 последовательных интерферометров и допускает подстройку фаз в плечах интерферометров. 8 Разработаны методы получения изображения одиночного атома, захваченного в микродипольную ловушку, а также одномерных и двумерных массивов атомов. Использованы атомы рубидия, оптические потенциалы создаются при помощи пространственных преобразователей света (SLM).
18 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Спектроскопия квантовых и статистических свойств систем с обратной связью и процессов с самовоздействием светового поля
Результаты этапа: 1. При генерации суперконтинуума от излучения параметрического рассеяния света (яркого сжатого вакуума) для числа фотонов получено распределение Парето с показателем 1.3. Для данного излучения проведен эксперимент по «вычитанию фотонов», приводящий к росту среднего числа фотонов в 170 раз. Полученные результаты свидетельствуют о сильной нестационарности исследуемого состояния света. 2. Реализована схема «широкоуклового» интерферометра SU(1,1), в котором излучение однопроходного параметрического усилителя (ПУ) без подсветки с помощью системы линз проецируется на второй такой же усилитель. Продемонстрирован широкий спектр орбитального углового момента, не зависящий от фазы интерферометра. С помощью интерферометра измерено квадратурное сжатие на выходе первого ПУ в зависимости от угла излучения. Максимальная величина сжатия составила 3.9 дБ. 3. При параметрическом рассеянии в апериодически поляризованном кристалле ниобата лития наблюдались яркие пучки-близнецы с шириной спектра 40 ТГц, что в 30 раз превышает ширину спектра в периодически поляризованном образце той же длины. С ростом интенсивности накачки наблюдается уширение спектров, что объясняется эффектом истощения накачки. 4. Исследованы различные варианты схем импульсной терагерцовой спектроскопии непрозрачных объектов: пассивных - основанных на измерении спектров отраженного излучения, и активных – основанных на исследовании эмиссионных свойств под действием фемтосекундной лазерной накачки. Методом импульсной терагерцовой спектроскопии измерены частотные зависимости комплексной диэлектрической проницаемости и коэффициентов отражения терагерцового излучения от сегнетоэлектрика-полупроводника Sn2P2S6, определено поведение терагерцовых дисперсионных параметров и фононных резонансов разностных частот при приближении температуры кристалла к температуре сегнетоэлектрического фазового перехода. 5. Исследованы параметры и условия функционирования фотопроводящих антенн на основе полупроводниковых пленок InGaAs и гетероструктур InGaAs/InAlAs для схем импульсной терагерцовой спектроскопии. Экспериментально подтверждено, что для повышения эффективности антенн данного типа оптимально использование пленок на подложках арсенида галлия с нетрадиционной кристаллографической ориентацией <111>. Показано, что наблюдаемое усиление терагерцового поля связано с увеличением количества антиструктурных ловушек AsGa+. Разработан и применен метод терагерцовой эмиссионной спектроскопии для исследования свойств пленок топологических изоляторов на основе халькогенидов висмута и сурьмы. 6. Показано, что применение нелинейного обобщенного закона Кирхгофа позволяет рассчитывать корреляционные свойства оптико-терагерцовых бифотонов, генерируемых при спонтанном параметрическом рассеянии света, с учетом наличия классических тепловых флуктуаций поля и частичного поглощения кристаллом излучения терагерцовых частот. Определены зависимости корреляционной функции второго порядка от температуры, коэффициентов поглощения, значений линейных и нелинейных дисперсионных параметров кристалла. 7. Исследованы адаптивные алгоритмы управления квантовыми состояниями света, реализованных на оптических чипах. Созданы программируемые оптические чипы и исследованы основные механизмы управления квантовыми состояниями света, распространяющимися в таких чипах. 8. Создан квантовый регистр из 9 атомов рубидия с индивидуальным доступом. Создан массив 25 микродипольных ловушек и система преобразования/управления оптического излучения, подводимого к этим ловушкам.
19 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Спектроскопия квантовых и статистических свойств систем с обратной связью и процессов с самовоздействием светового поля
Результаты этапа:
20 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Спектроскопия квантовых и статистических свойств систем с обратной связью и процессов с самовоздействием светового поля
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".