[量子光學]HBT實驗數據處理

HBT實驗數據處理

 

  • HBT實驗裝置

光子的二階相關性可通過HBT實驗進行測量。為了驗證單光子的反聚束效應,通常采用HBT實驗裝置(1)來對光子的相關性進行測量。在反聚束光源出射的光子流中,光子之間具有規則的時間間隔。光子一個接一個到達分束鏡片,隨機的被D1或者D2以相同的概率探測。每個光子有50%的概率被D1探測器探測到,并出發計時器開始計時。同時,由于一個光子不能被分束鏡分成兩份,如果D1探測到光子觸發計數器開始計時,那么D2探測到光子觸發計時停止的概率就為0了。因此,在t=0時刻,計時器不會記錄任何事件。而且計時器不會停止計時,直到有一個光子到達D2觸發計時器停止。計時器隨時都有可能停止,除了在t=0時刻,因為在t=0時刻,沒有光子到達D2探測器。因此,g(2)(t)0延時的值為0,這就是光子量子特性的顯著表現。采用HBT的實驗裝置驗證單光子源發射的光子的量子特性時,在TDC測量出的二階相關性曲線中出現一個明顯的凹陷,表明在t=0時刻,D1D2探測器的符合計數值趨近于“0”

1 HBT實驗裝置。

  • HBT實驗數據處理
  1. 連續光激發

在連續光激發下,熒光光子完全隨機到達兩個探測器。在此情況下,TDC測量獲得直方圖曲線為c(t)。在進行歸一化時,需要記錄實驗中的參數有:

  1. D1探測器的計數率N1counts/s);
  2. D2探測器的計數率N2counts/s);
  3. TDC的時間分辨率設置wtime bin width);
  4. 獲得直方圖的積分時間T

由此可對c(t)進行歸一化,將c(t)整條曲線的每一個數據點進行運算操作。

C(t)=c(t)/(N1*N2*w*T)

在歸一化時,應注意wT的單位換算。

在獲得C(t)后,進行消除背景噪聲影響,即可獲得g2(t)

消除背景影響時,需要記錄的實驗數據有:

  1. D1+D2探測器總計數率Rt
  2. 當樣品移動到無發光點處時D1+D2探測器的總計數率Rb

可獲得信號計數率為

Rs=Rt-Rb

r= Rs/Rt

對已歸一化的曲線C(t) 整條曲線的每一個數據點進行運算操作

g2(t)=[C(t)-(1-r2)]r2

所獲得曲線即為g2(t)

注:驗證g2(t)測量數據是否合理時,可用強度穩定的弱衰減激光進行測量。弱衰減激光屬于相干光源,g2(t)測量數據應為平均值在1附近的直線。

  1. 脈沖光激發

在脈沖光激發時,熒光光子按照脈沖激光的重復頻率周期性隨機出現。在此情況下,TDC測量獲得直方圖曲線為c(t)。在進行歸一化時,需要記錄實驗中的參數有:

  1. D1探測器的計數率N1counts/s);
  2. D2探測器的計數率N2counts/s);
  3. 激光的脈沖周期t
  4. 獲得直方圖的積分時間T

由此對c(t)進行歸一化。

取含有一個峰值的周期內的c(t)數據。例如激光重復頻率為10 MHz,周期為100 ns。在c(t)的曲線上取-50 ns50 ns的直方圖數據,直接求和,即在一個周期內的符合計數的總數c(0)。在歸一化時,應對不同的周期分別進行計算c(m),m為出現的符合計數峰的編號。歸一化操作不再對整條曲線操作,而是僅針對符合計數峰值求和進行。

C(m)=c(m)/( N1*N2*t*T)

C(m)即為所求脈沖激發下的二階關聯函數值。

注:驗證g2(t)測量數據是否合理時,可用強度穩定的弱衰減脈沖激光進行測量。弱衰減激光屬于相干光源,C(m)測量數據處理后,每一個峰的處理結果都應接近于1。

 

參考文獻

Eur. Phys. J. D 18, 191-196 (2002)

 

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