|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ЦЭМИ РАН |
||
Влияние геометрических факторов на структуру бифотонного поляНИР
The influence of geometric factors on the structure of a biphoton field
- Руководитель НИР: Прудковский П.А.
- Участники НИР: Воробьева Е.Д., Дверник Л.С., Китаева Г.Х., Кребздак И.В., Кузнецов К.А., Леонтьев А.А., Новикова Т.И., Сафроненков Д.А.
- Подразделение: Кафедра квантовой электроники
- Срок исполнения: 1 января 2020 г. - 31 декабря 2022 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 20-02-00621\20
- Номер ЦИТИС: АААА-А20-120012090198-3
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Информационно-телекоммуникационные системы
- Приоритеты и перспективы НТР Российской Федерации согласно Стратегии НТР РФ: переход к передовым цифровым, интеллектуальным технологиям
- ПН России: Информационно-телекоммуникационные системы
- Направление технологического прорыва России: Стратегические информационные технологии
- Критическая технология России: Технологии информационных, управляющих, навигационных систем
-
Рубрики ГРНТИ:
- 29.33.29 Преобразование частот методами нелинейной оптики
- 29.33.47 Воздействие лазерного излучения на вещество
- Классификатор OECD: Оптика
-
Ключевые слова:
разложение блоха-мессии, пучки-близнецы, параметрическое рассеяние света, терагерцовое излучение, бифотон, моды шмидта
schmidt modes, terahertz radiation, bloch-messiah decomposition, twin beams, parametric down-conversion, biphoton -
Описание:
Бифотонное поле, возникающее при параметрическом рассеянии света, имеет важное значение как с точки зрения методологических вопросов, касающихся оснований квантовой теории, так и с точки зрения различных прикладных аспектов в области квантовой оптики, квантовой информации, фотометрии и нелинейной спектроскопии. При этом если нелинейную среду, в которой происходит параметрическое рассеяние, нельзя считать неограниченной, структура бифотонного поля усложняется, степень квантового перепутывания растет, и необходим отдельный анализ для выделения сопряженных мод, в которых находится бифотонная пара. Проект посвящен теоретическому анализу ситуаций, в которых модовая структура бифотонного поля крайне далека от привычно рассматриваемой идеальной модели, когда сопряженные сигнальный и холостой фотоны можно считать плоскими волнами – из-за того, что характерные пространственные масштабы нелинейной среды сравнимы с параметрами возникающего бифотонного поля. Это рассмотрение крайне актуально для задач генерации коррелированных состояний полей оптических и терагерцовых частот – так называемых оптико-терагерцовых бифотонных пар, представляющих собой первые элементы будущей квантовой оптики терагерцового диапазона. Вторая область приложения полученных соотношений относится к генерации оптических бифотонных пар с предельно короткими временами корреляции для контроля сверхбыстрых (на уровне фемтосекунд) процессов. Будет детально исследована форма пространственно-частотных мод оптико-терагерцовых бифотонных пар, возникающих при предельно невырожденном параметрическом рассеянии света, когда длина волны холостого излучения сравнима с размерами нелинейного кристалла, а ширина пространственного синхронизма для него составляет десятки градусов. Полученные результаты будут апробированы в ходе измерения угловой расходимости фотонов различных частот терагерцового и оптического диапазонов. Также будет определена модовая структура широкополосных пучков-близнецов, возникающих в кристалле с апериодической доменной структурой под действием импульсной накачки, когда расплывание импульса сигнального и холостого излучения в нелинейном кристалле сравнимо с длиной импульса накачки.
-
Abstract:
The biphoton field arising from parametric down-conversion is important both from the point of view of methodological issues concerning the foundations of quantum theory, and from the point of view of various applied aspects in the field of quantum optics, quantum information, photometry and nonlinear spectroscopy. If the nonlinear medium in which parametric down-conversion occurs cannot be considered unlimited, the structure of the biphoton field is complicated, the degree of quantum entanglement increases, and a separate analysis is necessary to identify conjugate modes in which the biphoton pair is located. The project is devoted to a theoretical analysis of situations in which the mode structure of a biphoton field is extremely far from the usual ideal model, when the conjugate signal and idle photons can be considered plane waves because the characteristic spatial scales of the nonlinear medium are comparable with the parameters of the emerging biphoton field. This consideration is extremely relevant for the problems of generating correlated states of fields of optical and terahertz frequencies - the so-called optical-terahertz biphoton pairs, which are the first elements of future quantum optics in the terahertz range. The second area of application of the obtained relations concerns the generation of optical biphoton pairs with extremely short correlation times for monitoring ultrafast (at the level of femtosecond) processes. The shape of the spatial-frequency modes of the optical-terahertz biphoton pairs arising in the case of extremely non-degenerate parametric down-conversion will be investigated in detail, when the wavelength of idle radiation is comparable to the size of a nonlinear crystal and the width of spatial synchronism for it is tens of degrees. The results will be tested by measuring the angular divergence of photons of different frequencies of the terahertz and optical ranges. The mode structure of twin broadband beams arising in a crystal with an aperiodic domain structure under the action of pulsed pumping, when the spreading of the signal pulse and idle radiation in a nonlinear crystal is comparable to the pump pulse length, will also be determined.
-
Планируемые результаты:
1. Будет исследована форма сопряженных мод в случае генерации оптико-терагерцовых бифотонов, что упростит возможность их экспериментального детектирования. Для этой цели: - будет исследована угловая зависимость гамильтониана параметрического взаимодействия с учетом свойств тензора диэлектрической проницаемости и анизотропии кристалла, будет выделена его часть, зависящая от полярных углов; - будет произведено выделение полярных мод Шмидта, что позволит свести дальнейшую задачу к одномерной; - для поиска радиальных мод Шмидта будут использованы численные методы, которые, возможно, дадут информацию для поиска уместных в данной ситуации аналитических приближений; - будет проведена экспериментальная апробация полученных теоретических результатов на примере измерения частотно-угловой структуры терагерцового излучения, генерируемого при частотно-вырожденном параметрическом рассеянии света в кристаллах Mg:LiNbO3. 2. Будет исследована форма сопряженных мод в случае генерации широкополосного бифотонного поля в кристалле с апериодической доменной структурой под действием импульсной накачки, что может быть в дальнейшем использовано для оптимизации процессов генерации суммарной частоты и получения сжатых состояний света. С этой целью: - будет получено решение уравнений, описывающих эволюцию операторов рождения и уничтожения рассеянного излучения в случае малого коэффициента параметрического преобразования. Полученное решение позволит приближенно или численно определить форму мод Шмидта; - будет исследовано, что оказывает большее влияние на форму мод Шмидта – длина импульса накачки или закон изменения вектора обратной решетки доменной структуры; - будут численно решены уравнения для операторов рассеянного поля при произвольном коэффициенте параметрического преобразования. Из анализа матрицы преобразований будет сделана попытка выделения сопряженных мод, входящих в состав пучков-близнецов, и проведены исследования изменения их формы по мере перехода от спонтанного режима рассеяния к вынужденному.
-
Научный задел:
Коллективом, в который входят исполнители проекта, достаточно давно ведется экспериментальная и теоретическая разработка методов генерации и детектирования терагерцового излучения на основе параметрических процессов в нелинейных кристаллах, в том числе при помощи эффекта параметрического рассеяния света [V.V.Kornienko, S.A.Savinov, Y.A.Mityagin, G.Kh.Kitaeva “Terahertz continuous wave nonlinear-optical detection without phase-locking between a source and the detector”, Optics Letters, v.41, p.4075 (2016); G.Kh.Kitaeva, V.V.Kornienko “Strongly nondegenerate spontaneous parametric down-conversion for calibration of terahertz-wave detectors”, Int.J. of Quantum Inform., v.15, p.1740024 (2017)]. Задача детектирования оптико-терагерцовых бифотонных пар поставлена несколько лет назад и находится в процессе решения. Исследованы теоретические аспекты задачи [V.V.Kornienko, S.A.Germanskiy, G.Kh.Kitaeva, A.N.Penin “Generation of optical-terahertz biphoton pairs via spontaneous parametric down-conversion”, Int. J. Quantum Inform. v.12, p.1560023 (2014); G.Kh.Kitaeva, V.V.Kornienko, A.A.Leontyev, A.V.Shepelev “Generation of optical signal and terahertz idler photons by spontaneous parametric down-conversion”, Phys.Rev. A98, 063844 (2018)] и проведены пилотные эксперименты по регистрации генерируемого терагерцового излучения [G.K.Kitaeva, V.V.Kornienko, K.A.Kuznetsov et al. “Direct detection of the idler thz radiation generated by spontaneous parametric down-conversion”, Optics Letters, v.44, p.1198 (2019)]. Также выполнен ряд работ, использующих параметрическое рассеяние света в кристаллах с апериодической доменной структурой для приготовления широкополосных пучков-близнецов [M.V.Chekhova, S.Germanskiy, D.B.Horoshko, G.Kh.Kitaeva, M.I.Kolobov, G.Leuchs, C.R.Phillips, P.A.Prudkovskii “Broadband bright twin beams and their upconversion”, Optics Letters, v.43, p.375 (2018); П.А.Прудковский “Влияние истощения накачки на спектр пучков-близнецов”, Письма в ЖЭТФ, т.107, с.776 (2018)].
- Добавил в систему: Прудковский Павел Андреевич
Источник финансирования НИР
| грант РФФИ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Влияние геометрических факторов на структуру бифотонного поля |
| Результаты этапа: 1. Для описания структуры оптико-терагерцового бифотонного излучения, возникающего при сильно-невырожденном параметрическом рассеянии света, исследованы угловые зависимости нелинейного оператора взаимодействия. Показано, что при определенных условиях он может быть диагонализован в пространстве азимутальных углов. Это дает возможность получить собственные азимутальные моды рассеянного излучения и найти решение для матрицы рассеяния. Найдены собственные азимутальные мод при параметрическом рассеянии в кристале ниобата лития. Исследованы форма и эффективное число собственных мод при различных значениях частоты холостого терагецового излучения и различных коэффициентах параметрического взаимодействия. 2. Теоретически исследованы форма и скорости распространения пучков-близнецов в процессе их генерации при параметрическом рассеянии света под действием короткого импульса накачки. Показано, что скорость распространения импульса рассеянного излучения в нелинейном кристалле определяется средним арифметическим обратных групповых скоростей на частоте рассеянного излучения и на частоте накачки. Численно найдены коэффициенты матрицы рассеяния при больших значениях коэффициента параметрического взаимодействия. С их помощью показано, что длина импульсов пучков-близнецов может быть существенно меньше длины импульса накачки. Это связано с перемешиванием их спектральных компонент. Для случая генерации широкополосных пучков-близнецов в кристалле с апериодической доменной структурой показано, что форма импульсов рассеянного излучения имеет нетривиальный, иногда немонотонный вид. Эта форма определяется как спектром широкополосных пучков-близнецов, зависящим от закона изменения вектора обратной решетки доменной структуры кристалла, так и дисперсией групповых скоростей. | ||
| 2 | 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. | Влияние геометрических факторов на структуру бифотонного поля |
| Результаты этапа: 1. Теоретически получены азимутальные собственные моды оптико-терагерцового бифотонного поля, возникающего при сильно-невырожденном параметрическом рассеянии света. Получена матрица рассеяния, описывающая статистические свойства оптико-терагерцового поля при произвольных значениях коэффициента параметрического усиления. С помощь матрицы рассеяния рассчитаны зависимости нормированной корреляционной функции интенсивностей (g2) и фактора подавления шума (NRF) от угловых апертур детекторов, регистрирующих оптическое сигнальное и терагерцовое холостое рассеянное излучение при различных значениях частоты терагерцового излучения. Показано, что для регистрации неклассических свойств излучения в случае g2 угловые апертуры должны быть как можно более малыми, а в случае NRF – как можно более большими и при этом одинаковыми. Впервые в мире экспериментально зарегистрирована корреляция между оптическими и терагерцовыми фотонами. 2. Получено аналитическое выражение для амплитуды бифотона широкополосных пучков-близнецов, возникающих при коллинеарном параметрическом рассеянии света в нелинейном кристалле с линейно меняющимся периодом доменной структуры. Для полученной амплитуды бифотона численно произведена процедура разложения на собственные моды Шмидта. Исследована зависимость числа мод Шмидта от длительности импульса накачки. Показано, что при выбранных условиях минимальное значение числа Шмидта, приблизительно равное 50, достигается в случае импульса накачки длительностью 100 фс. | ||
| 3 | 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. | Влияние геометрических факторов на структуру бифотонного поля |
| Результаты этапа: 1. Развит теоретический метод, позволяющий диагонализовать в пространстве азимутальных углов оператор нелинейного взаимодействия, описывающий процесс сильно-невырожденного параметрического рассеяния света. Это позволило найти азимутальные собственные моды рассеянного сигнального оптического и холостого терагерцового излучения. Получена зависимость эффективного числа собственных мод и их угловая зависимость от частоты терагерцового рассеянного излучения. Базис собственных угловых мод позволил получить в общем виде матрицу рассеяния, описывающую корреляционные свойства рассеянного бифотонного излучения при любых значениях коэффициента параметрического преобразования. С помощью матрицы рассеяния рассчитаны измеряемые величины нормированной корреляционной функции интенсивностей холостого терагерцового и сигнального оптического излучения g2 и фактора подавления шума NRF, выражающегося через дисперсию разности чисел фотонов сигнального и холостого рассеянного излучений, - как функцию угловых апертур детекторов, регистрирующих сигнальное и холостое излучение, для различных частот терагерцового рассеянного излучения. Показано, что для регистрации высоких значений корреляции между сигнальным и холостым излучением g2 требуется использовать достаточно малые апертуры детекторов в режиме спонтанного параметрического рассеяния. Проведено экспериментальное исследование нормированной корреляционной функции интенсивностей и впервые зарегистрирована неклассическая корреляция между оптическими и терагерцовыми фотонами. В то же время согласно теоретическим расчетам для регистрации неклассического уровня NRF, меньшего единицы, необходимо использовать достаточно большие апертуры детекторов, выделяющие равный спектр азимутальных углов из сигнального и холостого излучения. Кроме того, с помощью матрицы рассеяния рассчитана волновая функция оптико-терагерцового бифотона и показано, как ее вид меняется при выведении терагерцового рассеянного излучения через боковую грань нелинейного кристалла. 2. Теоретически исследована форма импульсов пучков-близнецов, возникающих при параметрическом рассеянии в случае, когда длина импульса накачки не превышает величину задержки, связанную с дисперсией групповых скоростей в нелинейном кристалле. Показано, что скорость импульса рассеянного излучения в процессе его генерации определяется средним арифметическим обратных групповых скоростей на частоте рассеянного поля и на частоте накачки. Показано, что в случае вынужденного параметрического рассеяния длина импульса рассеянного излучения может быть существенно меньше длины импульса накачки. Также показано, что в случае предельно коротких импульсов накачки форма импульсов рассеянного излучения имеет сложную форму, связанную с дисперсионной задержкой различных частотных компонент рассеянного излучения в кристалле. Исследовано формирование широкополосного бифотонного поля в кристалле с чирпом – плавным изменением вектора обратной решетки доменной структуры – под действием короткого импульса накачки. Для кристалла с линейным чирпом получено выражение для волновой функции бифотона, для которой численно произведено разложение Шмидта. Показано, что число мод Шмидта уменьшается с уменьшением длины импульса накачки и достигает минимума при достаточно малой длине импульса накачки. В условиях, выбранных для расчетов, минимум числа Шмидта равен приблизительно 50 и достигается при длине импульса накачки порядка 100 фс. При дальнейшем уменьшении длины импульса накачки число мод Шмидта снова возрастает. Для спектра широполосных пучков-близнецов, возникших при прохождении импульса накачки последовательно через два нелинейных кристалла с апериодической доменной структурой, получена интерференционная структура, являющаяся проявлением нелинейной трехчастотной интерференции. Найдена волновая функция широкополосных бифотонов во временном представлении. Показано, что эта функция имеет существенно асимметричную форму. В случае достаточно больших длин импульса накачки одна из ее границ может быть очень резкой, что позволяет использовать корреляционную функцию сигнальной и холостой компонент широкополосных пучков-близнецов для синхронизации событий с точностью до нескольких десятков фемтосекунд даже без компенсации дисперсионного расплывания в нелинейном кристалле. | ||
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".