Способ стабилизации и перестройки длин волн однофотонных состояний на основе спонтанного параметрического рассеяния и устройство для его реализации
METHOD OF STABILIZING AND REARRANGING WAVELENGTHS OF SINGLE-PHOTON STATES BASED ON SPONTANEOUS PARAMETRIC SCATTERING AND A DEVICE FOR REALIZING

Техническое решение относится к области нелинейной оптики, квантовой электроники, а именно к способу и устройству стабилизации и перестройки длин волн однофотонных состояний на основе спонтанного параметрического рассеяния, и может быть использовано в различных областях, в том числе спектроскопии, волоконной оптической связи, медицине и др., в устройствах для управления спектром лазерного излучения.
Управление параметрами излучения является одной из основных задач квантовой и нелинейной оптики. К числу таких параметров относятся поляризация, угловые и спектральные распределения, корреляционные и временные свойства и др. Актуальной задачей является управление спектром двухфотонного излучения.
В способах управления частотой генерации для перестройки частоты можно менять температуру нелинейной среды, что связано с тем, что при изменении температуры значения волновых векторов несколько изменяются; условия фазового синхронизма зависит от температуры. Можно также использовать изменение оптической индикатрисы кристалла под воздействием внешнего электрического поля (электрооптическая перестройка частоты).
Описано значительное количество технических решений, и способов, и устройств, основанных на перестройке частоты излучения изменением температуры нелинейной среды. Например, в [RU 2173013 С2, 27.08.2001] описывается перестраиваемый лазер, включающий генератор накачки, оптический резонатор с широкополосной усиливающей средой и параметрический усилитель света, выполненный на основе нелинейного кристалла с температурно-перестраиваемым синхронизмом, в котором широкополосная усиливающая среда и параметрический усилитель света установлены в одном оптическом резонаторе. Данный метод не связан с генерированием однофотонных состояний и обладает достаточной инертностью по времени.
В [RU 164304 U1, 27.08.2016] раскрыт перестраиваемый источник лазерного излучения, который содержит генератор накачки, оптически связанный с температурно-перестраиваемым нелинейным кристаллом, секционированную систему теплового воздействия на нелинейный кристалл, состоящую из не менее двух нагревательных элементов, регулярно расположенных вдоль боковой поверхности нелинейного кристалла и отделенных друг от друга термоизолирующими перегородками, и датчиков температуры, установленных в соответствующих секциях. Устройство также включает блок управления, причем нагревательные элементы подключены к выходам блока управления, входы которого соединены с датчиками температуры. Блок управления содержит управляемые источники электропитания, выходы которых являются выходами блока, и программируемый микропроцессор с возможностью информационного обмена с внешними устройствами ввода программы и обработки данных, при этом информационные входы программируемого микропроцессора являются входами блока, а управляющие входы источников электропитания подключены к выходам программируемого микропроцессора. Устройство содержит радиатор, установленный с торца нелинейного кристалла и связанный с системой подачи и отвода хладоагента. Технический результат указанного устройства заключается в расширении возможностей при регулировке формы частотного спектра излучения в зависимости от пространственного профиля изменения температуры на соответствующих участках нелинейного кристалла. Из этого же источника известен метод температурного контроля спектра генерируемых состояний. За счет использования нескольких нагревательных элементов, расположенных вдоль всей нелинейной среды происходит контроль формы спектра и его ширины. Недостатком данного метода является инерционность перестройки температуры нелинейной среды: согласование и выравнивание температуры разных нагревательных элементов требует долгого времени.
Отличительными особенностями спонтанного параметрического рассеяния являются широкий непрерывный спектр, не связанный с собственными частотами среды, в которой происходит процесс рассеяния, а также двухфотонный характер излучения. Данные особенности позволяют генерировать различные неклассические состояния света, в частности, однофотонные состояния, которые широко используются как носители информации в оптических квантовых компьютерах, устройствах квантовой криптографии и квантовой метрологии [Metrology of single-photon sources and detectors: a review / C.J. Chunnilall [et al.] // Optical Engineering. - 2014. - Vol. 53, Iss. 8. - P. 081910; Takeuchi, S. Recent progress in single-photon and entangled-photon generation and applications / S. Takeuchi // Japanese Journal of Applied Physics. - 2014. - Vol. 53, №.3. - P. 030101].
В случаях, когда для реализации эффективного взаимодействия генерируемых однофотонных импульсов с атомами требуется точная настройка по длине волны, однофотонным состояниям необходимо взаимодействовать с резонансными системами атомов, существенными становятся внешние условия: температурные колебания, стабильность лазера накачки и т.п. В стандартной ситуации для стабилизации и перестройки спектра параметрического рассеяния света нелинейную среду помещают в термостабильную печь. Однако для ряда задач данная методика является медленной. Изменение температуры может достигать порядка нескольких десятков секунд. В связи с этим актуальным является вопрос об альтернативных методах стабилизации однофотонных источников на основе спонтанного параметрического рассеяния.
В работе [US 2009028340 А1, 29.01.2009] описаны система источника фотона и метод перестраиваемого источника неклассических состояний света на основе электрооптического метода и с использованием термостабилизации нелинейной среды, в которой происходит генерация. Заявленная система источника фотонов содержит источник накачки, оптически связанный с нелинейной средой, в качестве которого используют кристалл ниобата лития (PPLN), приспособленный для выполнения спонтанного параметрического преобразования с понижением частоты (SPDC) проходящего через кристалл излучения от источника накачки. На края нелинейной среды нанесены брэгговские зеркала, которые пропускают только определенную длину волны, для формирования резонатора Фабри-Перо. К концам кристалла, на брэгговские зеркала подсоединены электроды, приспособленные для обеспечения регулируемого приложенного электрического поля, чтобы регулировать резонансную длину волны резонатора, образованного брэгговскими зеркалами. PPLN может преобразовывать излучение от источника накачки через SPDC, чтобы генерировать выходные фотоны, имеющие длину волны в два раза больше длины волны накачки. Система включает элемент управления температурой - датчик температуры, выполненный с возможностью измерения температуры PPLN и выдачи сигнала температуры для управления температурой PPLN. Система генерирует выходные фотоны, которые имеют длину волны в С-диапазоне телекоммуникаций, в синхронном режиме. Заявленный способ генерации фотонов с узким выходным спектром включает заведение излучения источника накачки в резонатор Фабри-Перо, сформированный из PPLN, имеющий электрооптически регулируемые брэгговские зеркала на каждом конце; выполнение SPDC в PPLN для генерации перепутанных выходных фотонов; регулирование резонансной длины волны резонатора происходит путем приложения электрического поля к каждому из концов PPLN (брэговским зеркалам на концах) таким образом, чтобы запутанные выходные фотоны имели желаемую длину волны на выходе и спектральную ширину полосы. Для выполнения данного метода нелинейный кристалл сначала нагревают до температуры, при которой максимум интенсивности генерируемых пар фотонов к максимуму пропускания резонатора, образованного бреговскими зеркалами на концах кристалла. К бреговским зеркалам прикладывают однородное электрическое поле, чтобы с помощью электрооптического метода изменять условия бреговского отражения, следовательно, изменения длины волны пропускания источника. Недостатком данного метода: 1) вырезается спектральный диапазон, соответствующий пику пропускания брэговского резонатора, что может существо понизить скорость генерации неклассических состояний света, так как спектр генерации может быть на порядок шире, чем линия пропускания; 2) узкий диапазон перестройки длины волны генерируемых состояний, ограниченный бреговским резонатором и пиком его пропускания. Данное техническое решение относиться к устройствам генерации перепутанных пар фотонов, что не позволяется производить контроль спектральных характеристик источника непосредственных образом.
Техническая задача изобретения - разработка способа стабилизации и перестройки длин волн однофотонных состояний на основе спонтанного параметрического рассеяния совмещением температурного и электрооптического метода, и создание простого по конструкции устройства для его реализации, расширяющих арсенал средств указанного назначения, и лишенных недостатков аналогов.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность широкой - до 100 нм - перестройки длины волны одного из фотонов, сгенерированных в процессе спонтанном параметрическом рассеянии, за счет температурной зависимости показателя преломления нелинейно-оптической среды, а более точной и быстрой подстройки до 2.5 нм - за счет влияния внешнего электрического поля.
Задача решается, и технический результат достигается заявляемым новым способом стабилизации и перестройки длин волн однофотонных волновых пакетов и новым устройством для его реализации.
Предлагаемый способ стабилизации и перестройки длин волн однофотонных состояний на основе спонтанного параметрического рассеяния света основан на том, что фотоны, рожденные при параметрическом рассеянии света, жестко связаны между собой условиями фазового синхронизма, поэтому измерение длины волны одного фотона дает четкое представление о фактической длине волны другого фотона.
Заявляемый способ включает расчет математическими методами исходя из условий фазового синхронизма и с учетом целевой длины волны, необходимой потребителю, длину волны накачки и температуру, при которых будет происходить спонтанное параметрическое рассеяние света в нелинейной среде на целевой длине волны, а также угол направления излучения на длине волны фотона, сопряженного с фотоном на целевой длине волны, в детектор однофотонных состояний,
термостатирование нелинейной среды при рассчитанной температуре,
генерирование излучения на длине волны накачки,
генерирование спонтанного параметрического рассеяния света в нелинейной среде при рассчитанных параметрах,
отсечение излучения на длине волны накачки,
разведение потоков излучения рожденных фотонов, на целевой длине волны - потребителю и на длине волны излучения фотона, сопряженного с фотоном на целевой длине волны - для контроля стабильности однофотонных состояний,
направление излучения на длине волны фотона, сопряженного с фотоном на целевой длине волны, в детектор однофотонных состояний,
детектирование однофотонного состояния по постоянной величине счета фотонов на длине волны фотона, сопряженного с фотоном на целевой длине волны,
корректирование длины волны спонтанного параметрического рассеяния света в нелинейной среде за счет приложения внешнего электрического поля к нелинейной среде в случае отклонения счета фотонов от постоянной величины,
или перестраивание длины волны спонтанного параметрического рассеяния света в нелинейной среде за счет температурного изменения значения показателя преломления в нелинейной среде в случае изменения значения длины волны более чем на |2,5| нм, или за счет приложения внешнего электрического поля к нелинейной среде в случае изменения значения длины волны не более чем на |2,5| нм.
Для реализации созданного способа разработано устройство, схематично представленное на фиг. 1.
Устройство для стабилизации и перестройки длин волн однофотонных состояний на основе спонтанного параметрического рассеяния, состоит из оптически связанных и последовательно расположенных
нелинейно-оптического элемента, который помещен одновременно в термостатирующее устройство и в источник внешнего электрического поля;
системы отсекающих интерференционных фильтров, для уничтожения (отсечения) излучения накачки;
устройства, разделяющего поток фотонов;
дисперсионного элемента;
счетчика фотонов;
а также блока управления устройством, к которому подключены термостатирующее устройство, источник внешнего электрического поля и счетчик фотонов;
причем дисперсионный элемент или счетчик фотонов имеют возможность изменения своего положения для подстройки расположения друг относительно друга таким образом, чтобы апертура счетчика фотонов улавливала излучение от дисперсионного элемента на заданной длине волны.
Как показано на фигуре 1, предлагаемое устройство состоит из нелинейно-оптического элемента 1, обладающего нелинейно-оптическими свойствами, помещенного одновременно в термостатирующее устройство 2 и в источник 3 внешнего электрического поля. Нелинейно-оптический элемент 1 оптически связан последовательно с системой 4 отсекающих интерференционных фильтров, устройством 5, разделяющим поток фотонов, дисперсионным элементом 6, счетчиком фотонов 7, блоком 8 управления. Термостатирующее устройство 2, источник 3 внешнего электрического поля, дисперсионный элемент 6 и счетчик фотонов 7 подключены к блоку 8 управления. Все элементы заявляемого устройства могут быть помещены в единый корпус, или блок 8 управления может быть выведен из корпуса в случае необходимости (для удобства).
Нелинейно-оптический элемент 1 может представлять собой нелинейный кристалл, в том числе кристалл ниобата лития с примесью оксида магния (LiNbO3:MgO), титанил-фосфата калия (КТР) и другие квадратично нелинейные оптические среды, в который под действием однородного электрического поля вдоль определенной кристаллооптической оси происходит лишь растяжение или сжатие индикатрис показателей преломления.
Нелинейно-оптический элемент 1 размещен в источнике 3 внешнего электрического поля таким образом, что при наложении электрического поля оно будет приложено вдоль кристаллооптической оси элемента так, чтобы происходило лишь растяжение/сжатие индикатрис показателей преломления нелинейно-оптического элемента 1, во избежание негативных эффектов, таких, например, как изменение поляризации.
В качестве термостатирующего устройства 2 может быть использована, например, печь, обладающая высокой степенью стабилизации температуры с точностью не менее 0.01°С.
Источник 3 электрического поля служит для создания однородного электрического поля внутри нелинейно-оптического элемента 1. Причем данный источник 3 электрического поля должен обладать плавной регулировкой поля внутри нелинейно-оптического элемента во всем рабочем диапазоне. Кроме того источник 3 электрического поля должен создавать поле вдоль оси нелинейно-оптического элемента 1 таким образом, чтобы происходило лишь растяжение/сжатие индикатрис показателей преломления нелинейно-оптического элемента 1. В качестве источника однородного электрического поля может быть использован конденсатор, подключенный к источнику постоянного тока, который имеет прямую и обратную связь с блоком управления 8.
Система 4 отсекающих интерференционных фильтров служит для отсечения излучения накачки. В зависимости от максимальной мощности генератора накачки количество фильтров может быть разным, но не менее одного, который в этом случае должен обладать хорошей отражающей способностью на длине волны накачки и высокой степенью пропускания на длине волны генерируемых фотонов, близкой к 100%.
Устройство 5, разделяющее поток фотонов, служит для разведения потоков генерируемых фотонов - сигнального и холостого - на целевой и сопряженной с ней длинах волн. В качестве него может быть использовано, например, дихроичное зеркало, которое отражает, например, поток сигнальных фотонов и пропускает холостые фотоны.
Назначением дисперсионного элемента 6 является распространение разных длин волн внутри/после него под разными углами. Примером дисперсионного элемента 6 может служить, в том числе дифракционная решетка.
Счетчик 7 фотонов - детектор однофотонных состояний - служит для приема излучения на определенной длине волны от дисперсионного элемента 6 и обладает функцией подсчета однофотонных состояний - количество фотонов в единицу времени. В качестве счетчика 7 фотонов может быть использованы лавинные фотодиоды или CCD-камера, работающие в режиме счета фотонов.
Дисперсионный элемент 6 и счетчик 7 фотонов расположены друг относительно друга таким образом, чтобы апертура счетчика 7 фотонов улавливала излучение от дисперсионного элемента 6 на определенной (заданной) длине волны, один из этих элементов имеет возможность изменения своего положения для подстройки этого взаимодействия в случае необходимости. В одной из реализаций этого устройства дисперсионный элемент 6 выполнен с возможностью изменения угла падения излучения, отраженного от устройства 5, разделяющего поток фотонов, например, установлен в пьезоэлектрический двигатель вращения. В этом случае дисперсионный элемент 6 имеет связь с блоком 8 управления для регулирования угла падения излучения относительно устройства 5, разделяющего поток фотонов.
В другом случае исполнения заявляемого устройства дисперсионный элемент 6 выполнен неподвижным и не имеющим связи с блоком 8 управления, а счетчик 7 фотонов в этом случае имеет способность движения по окружности, центром которой является дисперсионный элемент 6, а также двустороннюю (прямую и обратную) связь с блоком 8 управления. Например, счетчик 7 фотонов может быть установлен на электромеханический транслятор, выполненный в форме дуги, управляемый с блока 8 управления.
Блок 8 управления представляет собой программируемый процессор или ЭВМ, в котором установлена плата управления с соответствующим программным обеспечением.
Устройство по изобретению работает следующим образом.
Перед началом работы заявляемое устройство устанавливают оптически связанным с генератором накачки (лазером). Генератор накачки может быть монохромно излучающим, с перестраиваемой длиной волны излучения или импульсным источником излучения.
Программное обеспечение, установленное в блоке 8 управления, позволяет осуществлять контролируемое управление температурой термостатирующего устройства 2 и величиной электрического поля, создаваемого источником 3 электрического поля. Кроме того, программа обеспечивает возможность управления блоком 8 взаимным расположением дисперсионного элемента 6 и счетчика 7 фотонов.
В начале работы пользователь в блоке 8 управления устанавливает целевую длину волны (излучение на которой необходимо потребителю и будет реализовано на выходе заявляемого устройства) - длину волны фотона 2. В зависимости от выбранной целевой длины волны и длины волны излучения, испускаемого генератором накачки, блок 8 управления рассчитывает:
- необходимую температуру нелинейной среды, при которой происходит генерация целевой длины волны, исходя из заложенных ранее сведений о зависимости показателя преломления конкретной (используемой в устройстве) нелинейной среды от температуры и условий фазового синхронизма;
- угол поворота дисперсионного элемента 6 для того, чтобы длина волны фотона 1 после прохождения дисперсионного элемента 6 попадала в диафрагму счетчика 7 фотонов. В случае, когда дисперсионный элемент остается неподвижным, то происходит расчет положения счетчика 7 фотонов относительно дисперсионного элемента 6.
После определения необходимой температуры, блок 8 управления подает сигнал на термостатирующее устройство 2, в котором расположен нелинейно-оптический элемент 1. После получения сигнала термостатирующее устройство 2 устанавливает необходимую температуру, по достижении которой подает сигнал об установлении необходимой температуры в блок 8 управления. Далее блок 8 управления подает сигнал на счетчик 7 фотонов о включении. Одновременно блок 8 управления подает сигнал о расположении дисперсионного элемента 6 и счетчика 7 фотонов таким образом, чтобы рассчитанное блоком 8 управления излучение фотона 1, проходя через дисперсионный элемент 6, попадало на счетчик 7 фотонов. В случае реализации устройства, в котором дисперсионный элемент 6 выполнен с возможностью изменения угла расположения относительно потока фотонов 1, блок 8 управления подает сигнал на пьезоэлектрический двигатель вращения элемента 6, который, приняв этот сигнал, повернет дисперсионный элемент 6 таким образом, чтобы изменить угол падения излучения на дисперсионный элемент 6 на рассчитанный блоком 8 управления, для того, чтобы длина волны фотона 1 после прохождения дисперсионного элемента 6 попадала в диафрагму счетчика 7 фотонов.
В случае, когда дисперсионный элемент 6 выполнен неподвижным и не имеющим связи с блоком 8 управления, при включении счетчика 7 фотонов блок 8 управления одновременно подает сигнал счетчику 7 фотонов, установленному на электромеханический транслятор, об изменении положения относительно дисперсионного элемента 6 по окружности, центром которой является дисперсионный элемент 6, таким образом, чтобы рассчитанное блоком 8 управления излучение фотона 1, проходя через дисперсионный элемент 6, попадало на апертуру счетчика 7 фотонов.
Одновременно с включением счетчика 7 фотонов блок 8 управления подает пользователю сигнал о необходимости включения накачки. Излучение накачки лазера заводится в термостатированный нелинейно-оптический элемент 1, в котором происходит генерация спонтанного параметрического рассеяния, совершается уничтожение фотона накачки на заданной длине волны и рождение двух фотонов на разных длинах волн - сигнального и холостого (фотона 1 и фотона 2). После этого излучение на длинах волн накачки, сигнального и холостого фотонов направляются в систему 4 отсекающих интерференционных фильтров.
Чтобы избежать рассеивания излучения могут быть использованы, но необязательно, системы заводных и выводных линз на входе и выходе из элемента 1, обладающего нелинейно-оптическими свойствами. Системы линз устанавливают таким образом, что их центры кривизны находятся на одной оптической оси и совпадают с осью распространения накачки.
С помощью системы 4 отсекающих интерференционных фильтров, излучение накачки отрезается, и излучение на длинах волн сигнального и холостого фотонов (фотона 1 и фотона 2) попадают на устройство 5, разделяющее поток фотонов, где холостые фотоны (фотоны 2) подают в выходной канал потребителю, а сигнальные фотоны (фотоны 1) попадают на дисперсионный элемент 6, где разные длины волн распространяются под разными углами. При этом дисперсионный элемент 6 и счетчик 7 фотонов уже имеют взаиморасположение, при котором рассчитанная длина волны фотона 2 попадает на диафрагму счетчика 7 фотонов для детектирования, который считает количество поступивших фотонов в единицу времени и передает эту информацию в блок 8 управления. После включения генератора накачки и появления сигнала на счетчике фотонов блок 8 управления подает сигнал источнику 3 внешнего поля для плавного сканирования рабочего диапазона электрического поля внутри кристалла. Блок 8 управления запоминает данные сканирования поля и счетчика 7 фотонов и после завершения сканирования источника 3 внешнего электрического поля устанавливает необходимое значение электрического поля на источнике 3 внешнего электрического поля. Если сигнал так и не поднялся выше минимального уровня, блок 8 управления выдаст пользователю сигнал ошибки. После установления постоянного сигнала счетчика 7 фотонов, соответствующее установлению генерации однофотонных состояний, информация об этом отражается индикацией в блоке 8 управления. Пока блок 8 управления получает в режиме реального времени данные от счетчика 7 фотонов о неизменном количестве фотонов в единицу времени, в этом режиме температура нелинейной среды остается неизменной, дисперсионный элемент 6 - неподвижным, и в апертуру счетчика фотонов 7 будет попадать только длина волны фотона 1. Если показатель количества фотонов в единицу времени существенно меняется, это свидетельствует об изменении длины волны генерации фотонов 1, так как разные длины волн распространяются в дисперсионном элементе 6 под разными углами и фотоны на другой длине волны не попадут на вход счетчика 7 фотонов. В этом случае заявляемое устройство корректирует длину волны излучения фотона 1. Так как фотоны 1 и 2 связаны условиями фазового синхронизма, измерение длины волны фотона 1 дает четкое представление о фактической длине волны фотонов 2.
Режим стабилизации (мгновенной коррекции генерации однофотонных состояний за счет быстрой коррекции длины волны до |2,5| нм реализуется с помощью однородного электрического поля. Изменение однородного электрического поля внутри нелинейной среды приводит к незначительному, порядка |2,5| нм, изменению длины волны излучения, таким образом, меняя электрическое поле внутри нелинейной среды за счет приложения внешнего электрического поля, можно произвести коррекцию длины волны для достижения целевой. Исходя из данных ширины спектра, длинах волн генерируемых фотонов 1 и 2, дисперсионной зависимости, которые описывают угол распространения разных длин волн внутри/после дисперсионного элемента 6 и зависимости изменения индикатрис показателя преломления нелинейно-оптической среды, блок 8 управления рассчитывает соответствующую величину коррекции поля ΔЕ, генерируемого источником однородного электрического поля внутри среды 1, для коррекции изменения длины волны Δλ, и посылает сигнал источнику 3 внешнего электрического поля о создании внутри нелинейной среды электрического поля для коррекции изменения длины волны генерируемых фотонов 1. После проведения процедуры коррекции блок 8 управления получит сигнал об уровне генерируемых фотонов 1 со счетчика 7 фотонов, если сигнал достигает ранее установившегося уровня, то блок управления подает сигнал источнику электрического поля сигнал о поддержании поля ΔЕ. Если сигнал счетчика 7 фотонов не вернулся к ранее установившемуся уровню, то процедура повторяется до тех пор, пока сигнал с счетчика фотонов 7 не вернется в исходное значение.
Таким образом, в течение сотых долей секунды происходит стабилизация - коррекция длины волны фотона 1, что отражается восстановлением стабильного показателя количества фотонов 1 в единицу времени, регистрируемого счетчиком 7 фотонов, и фиксируемого блоком 8 управления в режиме реального времени, индикация которого будет являться для пользователя сигналом о длины волны.
Преимущество электрооптического метода в его быстродействии. Процесс изменения и стабилизации температуры требует, как минимум, нескольких секунд, а в случае приложенного однородного электрического поля, перестройка длин волн фотонов 1 и 2 происходит в течение порядка 0,01 с, ограничиваясь лишь временем изменения электрического поля.
Изобретение иллюстрируется примером конкретного выполнения - для реализации заявляемого способа было создано конкретное устройство, в котором
источником нелинейной среды (нелинейно-оптический элемент 1) служит нелинейный кристалл ниобата лития с примесью оксида магния (PPLN) LiNbO3:MgO (5%), период модуляции которого равен Λ=7,47 мкм;
источник 3 электрического поля представляет из себя две металлические пластины, которые подключены к источнику постоянного тока;
термостабилизирующий элемент - печь Covesion PV Oven Series PV20, которая может поддерживать температуру с точностью до 0,01°С и с рабочим диапазоном до 210°С;
в качестве системы 4 отсекающих интерференционных фильтров, для отсечения излучения генератора накачки, были использованы два последовательно расположенных фильтра Hard-Coated Longpass Filters FELH0550, отражающие излучение ниже 550 нм, и пропускающие излучения больше 550 нм;
в качестве устройства 5, разделяющего поток фотонов, использовалось дихроичное зеркало Longpass Dichroic Mirror/Beamsplitter: 1150 nm Cut-On Wavelength DMLP1150B, отражающее излучение выше 1150 нм и пропускающее ниже 1150 нм;
в качестве дисперсионного элемента 6 была использована дифракционная решетка, расположенная на пьезомеханическом двигателе вращения High-Precision Rotation Mount PR01/M управляемым K-Cube™ Brushed DC Servo Motor Controller KDC101, с возможностью подключения к ЭВМ;
в качестве счетчика 7 фотонов использовался лавинный фотодиод PerkinElmer SPCM-AQR Series, обладающий высокой квантовой эффективностью в видимом диапазоне спектра.
Все указанные элементы устройства расположены согласно схеме на фигуре 1 и помещены в единый корпус, который не пропускает электромагнитное излучение в видимом диапазоне и ближнем ИК-диапазоне.
Блок 8 управления - ЭВМ с предустановленным на него соответствующим программным обеспечением - выведено за пределы корпуса.
Перед началом работы вышеописанное устройство устанавливают оптически связанным с генератором накачки, в качестве которого был использован непрерывный монохроматический лазер ALPHALAS MONOPOWER 532-SM, генерирующий длину волны 532 нм.
В конкретном примере осуществления способа излучение генератора накачки заводилось в нелинейную среду с помощью собирающей линзы с фокусным расстоянием f=250 мм и коллимировалась вдоль исходной оси собирающей линзой с фокусным расстоянием f=150 мм.
Пользователь в блоке 8 управления устанавливает необходимую (целевую) длину волны λ однофотонных состояний, в нашем примере устанавливалась длина волны холостого фотона (фотона 2), равной 1550 нм. Блок 8 управления, рассчитывает необходимую температуру Т нелинейной среды, при которой происходит генерация параметрического рассеяния света на заданной длине волны на основе заранее заложенных формул:
m
m
m
где k - волновой вектор, n - показатель преломления среды, λ - длина волны, Т - температура нелинейной среды (m=p - накачка, s - сингальный, i - холостой фотоны), Λ - период модуляции нелинейности. Показатель преломления нелинейной среды определяется из формул Селмейера приведенных в статье [Measurement of refractive indices and thermal refractive-index coefficients of LiNbO 3 crystal doped with 5 mol. % MgO / H.Y. Shen [et al.] // Applied optics. - 1992. - Vol. 31, Iss. 31. - P. 6695-6697.]. Для большинства популярных нелинейных сред формулы Селмейера изучены и приведены в книге [Г.Г. Гурзадян Г.Г., Дмитриев В.Г., Никогосян Д.Н. Нелинейно-оптические кристаллы. Свойства и применение в квантовой электронике // М.: Радио и связь, 1991].
s
i
3
Для использующегося в конкретном устройстве периодически модулированного LiNbO3:MgO (5%) с периодом модуляции Λ=7,47 мкм (PPLN), при длине волны накачки 532 нм, блоком 8 управления была рассчитана температура нелинейного кристалла Т=75°С, при которой реализуются еее-синхронизм, в котором все фотоны поляризованы вдоль необыкновенной оси кристалла (оси Z), длины волн сигнального и холостого фотона 810 нм (Δλ=0,13 нм) и 1550 нм (Δλ=0,48 нм), соответственно. Для удобства использования в программу блока 8 управления закладывались заранее рассчитанная зависимость спектра холостых фотонов от температуры кристалла LiNbO:MgO (5%).
3
Нижеприведенные графики отображают зависимость длин волн рождающихся фотонов в кристалле ниобата лития LiNbO:MgO (5%) с периодом модуляции Λ=7,47 мкм при накачке 532 нм от температуры - слева приведена зависимость длины волны холостого фотона от длины волны сигнального фотона, справа - зависимость длины волны сигнального фотона от температуры:
Одновременно с определением температуры Т блок 8 управления рассчитывает угол падения а сигнального излучения на дисперсионный элемент 6, для того чтобы необходимая длина волны сигнального фотона в апертуру счетчика 7 фотонов. При этом длина волны холостого фотона составляет 810 нм. Так как контроль длины волны холостого фотона происходит через сигнальный фотон, то все расчеты осуществлены на основании длины волны сигнального фотона. В качестве дисперсионного элемента использовалась дифракционная решетка с периодом d=0,833 мкм, что соответствует 1200 шт/мм. На основе законов дифракции блок 8 управления рассчитывает угол, на который необходимо повернуть дифракционную решетку, чтобы установить длину волны, которая должна падать на вход счетчика 7 фотонов по формуле:
0
0
0
0
0
где α - начальный угол падения на дисперсионный элемент, ϕ - начальный угол дифракции. В геометрии нашего устройства, начальная юстировка устройства предполагает, что при длине 810 нм (что соответствует длине волны 1550 нм холостого фотона) падения на дисперсионный элемент 6 составит α=0 градусов, а угол дифракции первого порядка (m=1) ϕ=76,41 градусов, а счетчик фотонов 7 будет иметь начальное положение ϕ относительно дисперсионного элемента 6. Следовательно, в нашем устройстве при установлении температуры Т=75°С, сигнальное излучение на 810 нм попадает на вход счетчика 7 фотонов и на выходе из устройства будет 1550 нм.
0
После определения необходимой температуры, блок 8 управления подает сигнал на термостатирующее устройство 2, в котором расположен нелинейно-оптический элемент 1. После получения сигнала термостатирующее устройство 2 устанавливает необходимую температуру, по достижении которой подает сигнал об установлении необходимой температуры в блок 8 управления, который подает сигнал на счетчик 7 фотонов о включении. Одновременно блок 8 управления подает сигнал на пьезомеханический двигатель вращения о расположении дисперсионного элемента 6 на рассчитанный угол α.
0
0
Одновременно с включением счетчика 7 фотонов блок 8 управления подает пользователю сигнал о необходимости включения накачки. Излучение накачки лазера заводится в термостатированный нелинейно-оптический элемент 1, в котором происходит генерация спонтанного параметрического рассеяния, совершается уничтожение фотона накачки на заданной длине волны (532 нм) и рождение двух фотонов на разных длинах волн - сигнального (810 нм) и холостого (1550 нм) - фотона 1 и фотона 2. После этого излучение на длинах волн накачки, сигнального и холостого фотонов направляются в систему 4 отсекающих интерференционных фильтров. После включения генератора накачки и появления сигнала на блоке 8 управления от счетчика 7 фотонов (313 кГц) блок 8 управления подает сигнал источнику 3 внешнего поля для плавного сканирования рабочего диапазона электрического поля внутри кристалла. Установленное в блоке 8 управления программное обеспечение запоминает данные сканирования поля и счетчика 7 фотонов и после завершения сканирования источника 3 внешнего электрического поля устанавливает необходимое значение электрического поля на источнике 3 внешнего электрического поля. После проведения сканирования полем, максимальный счет на счетчике 7 фотонов составлял 350 кГц и значение поля при максимальном счете составило Е=-0,96 кВ/см. Далее блок управления 8 установил Е как базовое значение электрического поля на источнике 3 внешнего электрического поля и дает команду на его поддержание.
После установления постоянного сигнала счетчика 7 фотонов, соответствующее установлению генерации однофотонных состояний, информация об этом отражается индикацией в блоке 8 управления. Пока блок 8 управления получает в режиме реального времени данные от счетчика 7 фотонов о неизменном количестве фотонов в единицу времени, в этом режиме температура нелинейной среды остается неизменной, дисперсионный элемент 6 - неподвижным, и в апертуру счетчика фотонов 7 будет попадать только излучение на длине волны фотона 1.
В случае, если пользователю требуется изменить целевую длину волны в пределах |2,5| нм, например, до 1552 нм, устройство будет работать следующим образом. Пользователь задает новое значение целевой длины волны (фотона 2) в блоке 8 управления. Блок 8 управления сравнивает старую и новую целевые длины волн. Если |Δλ|<2,5 нм, то перестройка происходит на основе электрооптического метода. Если |Δλ|>2,5 нм, то перестройка происходит на основе температурного метода.
3
z
В нашем случает Δλ=1550 нм - 1552 нм = 2 нм. Изменение длины волны выполняется за счет внешнего электрического поля. Для кристалла LiNbO:MgO (5%) приложение электрического поля E вдоль оси Z, приводит лишь к изменению значений эллипсоида показателей преломления, таким образом, что
ij
где r - линейные электрооптические коэффициенты. Для каждого кристалла эта величина является индивидуальной и вычисляется для конкретного типа генерации параметрического рассеяния света. В [Сонин, А.С. Электрооптические кристаллы [Текст] / А.С Сонин, А.С. Василевская. М.: Атомиздат. - 1971] указано, какие линейные электрооптические коэффициенты могут быть у нелинейных сред, в зависимости от типа симметрии. Для кристалла LiNbO3:MgO (5%) сдвиг спектра зависит следующим образом:
0
0 new
0
0 new
где ν - исходная частота генерации, в отсутствии внешнего электрического поля (λ=2πn/ν). Для удобства это выражение закладывается в программное обеспечение управления компьютером. При новой длине волны 1552 нм длина волны сигнального фотона будет соответствовать 809.47 нм (рассчитывается блоком 8 управления из условия синхронизма). Для перехода длины волны с 810 нм на 809.47 нм блок 8 управления устанавливает рассчитанную из формулы (6) величину электрического поля на источнике 3 внешнего поля Е=Е -20.152 кВ/см. Далее блок управления 8 установил Е как базовое значение электрического поля на источнике 3 внешнего электрического поля и дает команду на его поддержание. Кроме того, блок 8 управления одновременно устанавливает новый α=0.0521 для дисперсионного элемента 6. После установления постоянного сигнала счетчика 7 фотонов, соответствующего установлению генерации однофотонных состояний на новой длине волны, информация об этом отражается индикацией в блоке 8 управления.
0 new
0 new
В случае, если пользователю требуется изменить целевую длину волны более, чем на |2.5| нм, изменение происходит с помощью температурного метода. Пользователь устанавливает новое значение длины волны, например, 1530 нм. Блок 8 управления сравнивает новое значение со старым |Δλ|=|1530-1552 нм|=|-22 нм|>2.5 нм. Блок 8 управления рассчитывает температуру, при которых будет происходить СПР при новых условиях (57°С), устанавливает ее на термостатирующем устройстве 2, рассчитывает новый угол α=0.51 и устанавливает его на дисперсионном элементе 6, чтобы длина волны излучения сигнального фотона, рассчитанная по условиям синхронизма, была 815.6 нм, соответствующая длине воны холостого фотона 1530 нм на выходе. После установления постоянной величины сигнала со счетчика 7 фотонов - 327 кГц блок 8 управления подает сигнал источнику 3 внешнего поля для сканирования полем рабочего диапазона. Полученный максимальный счет фотонов со счетчика 7 фотонов составил 351.5 кГц и поле Е=0.75 кВ/см. Далее блок 8 управления подает источнику внешнего поля 3 сигнал на поддержания поля Е.
Так как литературные данные по показателям преломления основаны на данных, полученных эмпирическим методом, то существует погрешность в соотношении реальных данных и теоретически рассчитанных. Для компенсации ошибки показателя преломления среды используется плавное сканирование рабочего диапазона электрического поля внутри кристалла.
z
0 new
0
z
В случае отклонения счета фотонов от заданного без участия пользователя, включается коррекция длины волны, что отражается на блоке 8 управления. Например, при уменьшении в 2 раза значения счета фотонов на счетчике 7 фотонов, что соответствует изменению длины волны сигнального фотона на 0,065 нм, при этом длина волны холостого фотона изменится на 0,24 нм. Для компенсации этого отклонения, блок 8 управления подает сигнал источнику 3 электрического поля на изменение электрического поля на величину ΔE=2,47 кВ/см. При этом, если сигнал изменяется в сторону уменьшения, блок 8 управления дает команду источнику 3 электрического поля на изменение электрического поля на эту же величину, но обратную по значению. После восстановления количества фотонов, фиксируемого счетчиком 7 фотонов к исходному значению, блок 8 управления подает сигнал источнику 3 внешнего поля на поддержание данной величины электрического поля Е=Е+ΔE. При каждом отклонении счета фотонов процедура будет повторяться.
Таким образом, заявлен способ управления спектром однофотонных состояний на основе спонтанного параметрического рассеяния, расширяющий арсенал способов указанного назначения, а именно способ стабилизации и перестройки длин волн. Эффективность заявляемого способа заключается в возможности производить высокоскоростную стабилизацию и перестройку длины волны однофотонного источника на основе спонтанного параметрического рассеяния света в пределах |2,5| нм, а также производить изменение выходного спектра в широком спектральном интервале до 100 нм. Для реализации данного способа создано устройство.
Заявляемые способ и устройство позволяют производить широкую перестройку длины волны источника однофотонных состояний на основе спонтанного параметрического рассеяния света. За счет температурного изменения значения показателя преломления в нелинейной среде производят изменение выходного спектра в широком спектральном интервале до 100 нм, а с помощью внешнего электрического поля - более точную и почти мгновенную подстройку длины волны до |2,5| нм к нелинейной среде внешнего электрического поля.