作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 理论分析的方案和术语
除了激光泵浦(为了简化，此处未画出)，信号(s1)和空闲(i1)输入模式进入非线性晶体(NL)
晶体中的相互作用导致分别在输出模式S1和i1中产生信号光子和闲频光子
它们被涂有氧化铟锡的玻璃隔开
之后，信号辐射和泵浦光束被反射镜Ms反射回晶体
第二通道的输入模式由i2和s2表示，由于对齐，等于S1
空闲模式I’1穿过物体O，被反射镜Mi反射，并再次传播穿过物体
这充当具有第二输入模式3和输出模式1’1和3’的分束器
对准惰轮梁，模式i''1对应于i2
第二段后的输出模式是s'2和i''2
最后，探测器探测到信号辐射(模式S2)
插图显示了基于详细模型的斯托克斯(红色)和反斯托克斯(蓝色)区域中的模拟干涉信号
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aaz8065 量子物理学家依靠量子传感作为一种极具吸引力的方法来访问光谱区域和检测光子(微小的光包)，这在技术上通常具有挑战性
他们可以在感兴趣的光谱区域收集样本信息，并通过双光子相关将细节转移到另一个具有高灵敏度检测器的光谱范围
这项工作特别有利于没有半导体探测器的太赫兹辐射，物理学家必须使用相干探测方案或低温冷却测辐射热计来代替
在《科学进展》的一份新报告中，米尔科·库塔斯和德国工业数学和物理系的一个研究小组描述了在太赫兹频率范围内量子传感的首次演示
在实验过程中，太赫兹频率与自由空间中的样品相互作用，并通过检测可见光子提供关于样品厚度的信息
该团队利用基于双光子干涉的太赫兹光子获得了层厚度测量结果
由于非破坏性测量层厚度的能力具有很高的工业相关性，库塔斯等人
预计这些实验是走向工业量子传感的第一步
量子传感和成像是使用一对相关的可见光和红外光子进行红外测量的流行方案
研究小组先前已经演示了太赫兹频率范围内的量子传感的一般原理，使用杨氏结构的单晶干涉仪来测量太赫兹频率范围内周期性极化的铌酸锂(PPLN)晶体的吸收
在目前的工作中，库塔斯等人
利用自发参量下转换(SPDC)产生太赫兹(闲频)光子，利用660千米处的泵浦光子产生波长约为661纳米的信号光子——非常接近光谱泵浦波长
为了测试室温下量子传感的可行性，该团队首先从理论上分析了单晶量子干涉仪的概念
理论上，该装置包含一个泵浦光束，它照射一个非线性晶体，产生成对的信号光子和闲频光子
库塔斯等人
他们的理论过程基于以前的研究
在通常的SPDC(自发参量下转换)实验中，输入模式处于真空状态
然而，在目前的工作中，太赫兹范围内的闲频光子的小能量从热波动中得到相当大的贡献，从而处于热状态
在实验过程中，研究小组希望将泵浦光子和信号光子从闲置光子中分离出来，与物体相互作用，以便产生的辐射被反射并耦合回晶体
他们举例说明了该模型产生的预期干扰，从而得出结论，在存在热光子的情况下，下转换(当信号场和空闲场的频率低于泵浦频率时)以及上转换都可以预期出现干扰模式
实验装置示意图
波长为659的连续波激光器
58 nm被VBG (VBG1)反射，通过控制偏振的零级半波片(λ/2)进入装置的干涉仪部分
然后由透镜f1聚焦到周期性极化的1毫米长掺氧化镁铌酸锂(PPLN)晶体中，产生信号和太赫兹光子，由氧化铟锡分离
信号和泵浦辐射以毫秒级直接反射到晶体中
太赫兹辐射穿过物体两次，被可移动反射镜米反射
在泵穿过PPLN的第二次移动中，产生了额外的信号和闲置光子
之后，透镜f1准直泵浦和信号辐射以进行检测，首先通过三个VBGs和空间滤波器(s f)过滤泵浦辐射
为了获得频率-角度光谱，信号辐射由透镜f2通过透射光栅聚焦到单扫描金属氧化物半导体照相机上
插图显示了所用晶体的频率角谱(极化周期λ= 90微米，泵浦功率为450毫瓦)
散射角对应于从晶体传输到空气后的角度
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aaz8065 目前的实验装置也是基于以前提出的装置——扩展到类似迈克尔逊的单晶量子干涉仪
科学家们使用660纳米倍频固态激光器作为泵浦源，并使用体布拉格光栅将光子耦合到干涉仪
对于非线性介质，他们选择了极化周期为90米的1毫米长的PPLN(周期性极化的铌酸锂)晶体，以产生太赫兹频率范围内的可见(信号)光子和相关(空闲)光子
在晶体后面，研究人员放置了一个涂有氧化铟锡的玻璃，以将闲置光子与泵浦和信号光子分开
然后，他们使用凹面镜将泵浦和信号辐射直接聚焦回晶体
由于铌酸锂(铌酸锂)在太赫兹频率范围内的折射率导致空载辐射的大散射角，所以他们使用抛物面镜准直该辐射，并在放置在压电线性平台上的平面镜处反射空载辐射
在穿过晶体两次后，他们准直了泵浦光束和信号光束，并使用三个VBG对泵浦光子进行滤波，VBG起到了高效窄带陷波滤波器的作用
该团队使用了一个非制冷的科学互补金属氧化物半导体(sCMOS)相机作为探测器
该装置中的信号光子可以通过SPDC(自发参量下转换)或者通过转换太赫兹频率范围内的热光子来产生
信号强度线性依赖于泵浦功率，允许实验在低增益区域进行
太赫兹量子干涉
在信号的共线前向光斑中，在(甲)斯托克斯和(乙)反斯托克斯区域观察到干涉
相应的快速傅里叶变换峰值约为1
26太赫兹
通过在空闲路径中放置额外的氧化铟锡玻璃，可以观察到没有干扰，并且快速傅立叶变换中的峰值消失
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aaz8065 科学家们在斯托克斯和反斯托克斯区域观察到信号光子的干涉——与模拟的干涉信号相匹配
相对于相位匹配条件，相应的快速傅立叶变换在两种情况下都显示出峰值
记录数据的噪声是由激光波动和相机噪声造成的
为了确定这种干涉是由太赫兹光子沿闲置路径传播引起的，他们在抛物面和平面镜之间放置了一个铟锡氧化物玻璃，它可以阻挡太赫兹辐射，同时允许可见光透过
为了演示太赫兹量子传感，库塔斯等人
测量各种聚四氟乙烯(PTFE)板的厚度—放置在最大厚度为5 mm的惰轮路径中
由于聚四氟乙烯的折射率，光路长度发生了变化，他们观察到了不同阶段的干涉包络
除了偏移，在聚四氟乙烯板的存在下，干涉的可见度降低
该小组通过使用标准时域光谱系统估计板的折射率来检测板的厚度
基于干涉信号的折射率和位移，他们计算了层的厚度
结果表明，在太赫兹频率范围内与闲频光子的量子干涉允许物理学家通过量子传感确定太赫兹路径中样品的层厚度
太赫兹量子传感
干涉的包络根据反斯托克斯部分的聚四氟乙烯板的厚度而移动
聚四氟乙烯板的厚度通过量子干涉测量，聚四氟乙烯厚度通过千分尺测量
实线是角平分线
水平误差条(被数据点隐藏)考虑了聚四氟乙烯板的不均匀厚度和参考测量的不准确性
垂直误差线是由确定干涉包络中心偏移的精度造成的
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aaz8065 通过这种方式，米尔科·库塔斯和他的同事们观察到了太赫兹频率范围内的量子干涉以及太赫兹光子在自由空间中的传播，在斯托克斯和反斯托克斯区域内
他们展示了使用这种技术来确定各种聚四氟乙烯区域厚度的能力，作为太赫兹频率范围内的概念验证应用
虽然测量时间和分辨率无法与经典太赫兹测量方案相比，但这里提出的概念是太赫兹量子成像的第一个里程碑
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
