[量子光学]HBT实验数据处理

HBT实验数据处理

 

  • HBT实验装置

光子的二阶相关性可通过HBT实验进行测量。为了验证单光子的反聚束效应，通常采用HBT实验装置(图1)来对光子的相关性进行测量。在反聚束光源出射的光子流中，光子之间具有规则的时间间隔。光子一个接一个到达分束镜片，随机的被D1或者D2以相同的概率探测。每个光子有50%的概率被D1探测器探测到，并出发计时器开始计时。同时，由于一个光子不能被分束镜分成两份，如果D1探测到光子触发计数器开始计时，那么D2探测到光子触发计时停止的概率就为0了。因此，在t=0时刻，计时器不会记录任何事件。而且计时器不会停止计时，直到有一个光子到达D2触发计时器停止。计时器随时都有可能停止，除了在t=0时刻，因为在t=0时刻，没有光子到达D2探测器。因此，g(2)(t)在0延时的值为0，这就是光子量子特性的显著表现。采用HBT的实验装置验证单光子源发射的光子的量子特性时，在TDC测量出的二阶相关性曲线中出现一个明显的凹陷，表明在t=0时刻，D1与D2探测器的符合计数值趋近于“0”，

图1， HBT实验装置。

  • HBT实验数据处理
  1. 连续光激发

在连续光激发下，荧光光子完全随机到达两个探测器。在此情况下，TDC测量获得直方图曲线为c(t)。在进行归一化时，需要记录实验中的参数有：

  1. D1探测器的计数率N1（counts/s）；
  2. D2探测器的计数率N2（counts/s）；
  3. TDC的时间分辨率设置w（time bin width）；
  4. 获得直方图的积分时间T。

由此可对c(t)进行归一化，将c(t)整条曲线的每一个数据点进行运算操作。

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

在归一化时，应注意w与T的单位换算。

在获得C(t)后，进行消除背景噪声影响，即可获得g2(t)。

消除背景影响时，需要记录的实验数据有：

  1. D1+D2探测器总计数率Rt
  2. 当样品移动到无发光点处时D1+D2探测器的总计数率Rb

可获得信号计数率为

Rs=Rt-Rb

r= Rs/Rt

对已归一化的曲线C(t) 整条曲线的每一个数据点进行运算操作

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

所获得曲线即为g2(t)

注：验证g2(t)测量数据是否合理时，可用强度稳定的弱衰减激光进行测量。弱衰减激光属于相干光源，g2(t)测量数据应为平均值在1附近的直线。

  1. 脉冲光激发

在脉冲光激发时，荧光光子按照脉冲激光的重复频率周期性随机出现。在此情况下，TDC测量获得直方图曲线为c(t)。在进行归一化时，需要记录实验中的参数有：

  1. D1探测器的计数率N1（counts/s）；
  2. D2探测器的计数率N2（counts/s）；
  3. 激光的脉冲周期t；
  4. 获得直方图的积分时间T。

由此对c(t)进行归一化。

取含有一个峰值的周期内的c(t)数据。例如激光重复频率为10 MHz，周期为100 ns。在c(t)的曲线上取-50 ns到50 ns的直方图数据，直接求和，即在一个周期内的符合计数的总数c(0)。在归一化时，应对不同的周期分别进行计算c(m)，m为出现的符合计数峰的编号。归一化操作不再对整条曲线操作，而是仅针对符合计数峰值求和进行。

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

C(m)即为所求脉冲激发下的二阶关联函数值。

注：验证g2(t)测量数据是否合理时，可用强度稳定的弱衰减脉冲激光进行测量。弱衰减激光属于相干光源，C(m)测量数据处理后，每一个峰的处理结果都应接近于1.

 

参考文献

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