Seite 1 EDU-QOP1(/M) Quantenoptik-Kit Benutzerhandbuch...
Seite 3 Quantenoptik-Kit Inhaltsverzeichnis Kapitel 1 Sicherheit ..........................1 Definitionen der Warnsymbole ....................1 Warnung vor Laser-Strahlung ....................1 Piezo Controller Warnung ......................1 Kapitel 2 Produktbeschreibung ......................2 Kapitel 3 Grundlagen der Quantenoptik ....................4 Klassische Beschreibung von Licht ................... 4 3.1.1 Verhalten an einem Strahlteiler ..........................
Seite 4 Quantenoptik-Kit Kapitel 4 Experimentelle Konzepte ....................36 Einzelphotonen-Detektoren ....................36 Time Tagging .......................... 37 4.2.1 Time Tagging im Vergleich mit Koinzidenzelektronik ..................37 4.2.2 Jitter und Koinzidenzfenster ..........................37 4.2.3 Verzögerungskompensation ..........................39 Kapitel 5 Kit Komponenten ........................ 40 Pump- und Justagelaser ......................40 Kristall und Justierhilfen ......................
Seite 5 Quantenoptik-Kit Aufbau des Grangier-Roger-Aspect-Experiments ..............89 7.5.1 Positionierung des Strahlteilers ........................90 7.5.2 Positionierung des dritten Detektors ........................ 91 7.5.3 Feineinstellung des dritten Detektors ....................... 91 7.5.4 Testmessung ..............................92 Justierung des Michelson-Interferometers ................93 7.6.1 Zusätzlicher Justierpfad ............................. 94 7.6.2 Justierung des Interferometers ......................... 95 7.6.3 Positionierung des dritten Detektors ......................
Seite 6 Quantenoptik-Kit 11.1 Software-Installation ......................151 11.2 Allgemeine Bemerkungen ....................151 11.3 Speichern von Ergebnissen ....................151 11.4 Connection Fenster ......................152 11.5 Alignment-Tab ........................153 11.6 Delay Adjust Tab ........................154 11.7 HBT und GRA Tabs ........................ 155 11.8 Malus-Tab ..........................156 11.9 Michelson-Tab ........................
Seite 7 14.1 Laser System ........................180 14.2 Bestimmung der Laserklasse ....................180 14.3 Auswahl der Laserschutzbrille ....................180 Kapitel 15 Danksagung ......................182 Kapitel 16 Gesetzliche Bestimmungen ..................183 16.1 Rücksendung von Geräten ....................183 Kapitel 17 Thorlabs Weltweit ....................184...
Seite 9 Quantenoptik-Kit Kapitel 1: Sicherheit Kapitel 1 Sicherheit Definitionen der Warnsymbole Nachfolgend finden Sie eine Liste von Warnsymbolen, die Sie in diesem Handbuch oder auf Geräten finden können. Warnung: Laserstrahlung Allgemeine Warnung Warnung vor Laser-Strahlung Warnung Die in diesem Kit verwendete Laserdiode der Klasse 3B kann eine optische Leistung von mehr als 35 mW abgeben, die bei direkter Betrachtung zu ernsten Augenschäden führen kann.
Seite 10 Quantenoptik-Kit Kapitel 2: Produktbeschreibung Kapitel 2 Produktbeschreibung Der Bereich der Quantenphysik entwickelt sich rapide weiter: Quantencomputer, Quantenkryptographie- Netzwerke und quantenbasierte Sensorik stehen kurz vor der Einführung in den Anwendungsbereich. Bezeichnend dafür ist die Verleihung des Nobelpreises für Physik 2022 an Alain Aspect, John F. Clauser und Anton Zeilinger für ihre bahnbrechenden Arbeiten zur Quantenoptik.
Seite 11 Quantenoptik-Kit Kapitel 2: Produktbeschreibung Um die von den drei Einzelphotonendetektoren kommenden Signale zu analysieren und zu korrelieren, wird eine moderne Zeitmessungselektronik eingesetzt. Es gibt mehrere Experimente, die die Studierenden selbst aufbauen und messen können: • Die Paarquelle selbst • Den experimentellen Nachweis einer nicht-klassischen Lichtquelle (Grangier-Roger-Aspect Experiment) •...
Seite 12 Quantenoptik-Kit Kapitel 3: Grundlagen der Quantenoptik Kapitel 3 Grundlagen der Quantenoptik Klassische Beschreibung von Licht In diesem Abschnitt wird eine Zusammenfassung der klassischen Beschreibung des Lichts gegeben, welche sich auf jene Eigenschaften konzentriert, die bei den Experimenten in diesem Bausatz eine Rolle spielen. Es ist oft nützlich, die in späteren Abschnitten abgeleiteten quantenmechanischen Ergebnisse mit den klassischen Ergebnissen dieses Abschnitts zu vergleichen.
Seite 13 �� √ 2 Thorlabs bietet mit dem EDU-MINT2(/M) ein Lernpaket für die klassische Interferometrie an. Das Handbuch ist kostenlos auf der Produktwebseite erhältlich und stellt das Michelson-Interferometer näher vor. M. Fox, Quantum Optics: An Introduction. (Oxford University Press, Oxford, 2006) Rev.
Seite 14 Quantenoptik-Kit Kapitel 3: Grundlagen der Quantenoptik | �� | ² �� (16) �� (��+��) −��(��+��) = | �� ( 2 + 2 cos ( �� + �� )) = �� ∙ (1 + �� ) ∙ (1 + �� (1 −...
Seite 15 Quantenoptik-Kit Kapitel 3: Grundlagen der Quantenoptik Lineare Polarisation Wenn �� = 0 ist, d.h. die x- und y-Komponenten des elektrischen Feldes in Phase schwingen, dann ist �� ein reeller Vektor, der eine Linie beschreibt, die um einen Winkel �� von der x-Achse versetzt ist: ��...
Seite 16 Quantenoptik-Kit Kapitel 3: Grundlagen der Quantenoptik Elliptische Polarisation Die elliptische Polarisation ist der allgemeine Fall, wenn keiner der oben genannten Sonderfälle zutrifft. Die Phasenverschiebung und das Verhältnis der Amplituden in x- und y-Richtung bestimmen die Ausrichtung und Exzentrizität der Ellipse. Lineare Polarisatoren Lineare Polarisatoren sind optische Elemente, die nur die Komponente des einfallenden Lichts durchlassen, die entlang der Polarisatorachse orientiert ist.
Seite 17 Quantenoptik-Kit Kapitel 3: Grundlagen der Quantenoptik verstanden als das innere Produkt (��, ��) ≡ ⟨��|��⟩. Dieses wird typischerweise als eine Projektion des Zustands | �� ⟩ auf den Zustand | �� ⟩ interpretiert, d.h. als die Wahrscheinlichkeitsamplitude für den Zustand | �� ⟩ in den Zustand zu kollabieren | ��...
Seite 18 Quantenoptik-Kit Kapitel 3: Grundlagen der Quantenoptik 3.2.5 Eigenzustände und Eigenwerte Wenn es für einen linearen Operator �� ̂ einen oder mehrere Zustandsvektoren gibt | �� ⟩ für die: �� ̂ | �� ⟩ = �� | �� ⟩ (38) ��...
Seite 19 Quantenoptik-Kit Kapitel 3: Grundlagen der Quantenoptik 1 ̂ = ∑ �� ̂ = ∑ |�� ⟩⟨�� = 1,2, … , �� (46) �� Hierbei ist �� ̂ = | �� ⟩⟨ �� | ein Projektionsoperator, wie in Abschnitt 3.2.4. beschrieben. Die Eigenzustände eines ��...
Seite 20 Quantenoptik-Kit Kapitel 3: Grundlagen der Quantenoptik 3.2.10 Erwartungswerte Wenn viele Messungen einer Beobachtungsgröße �� an einem Zustand | �� ⟩ durchgeführt werden (nicht an demselben System, sondern an einem Ensemble von Systemen im identischen Zustand), dann wird der erwartete Durchschnitt der Messergebnisse als Erwartungswert 〈 �� 〉 der Messung bezeichnet. Er wird wie folgt berechnet: 〈...
Seite 21 Quantenoptik-Kit Kapitel 3: Grundlagen der Quantenoptik Eine Beobachtungsgröße eines Subsystems wird immer noch durch einen Operator dargestellt. Sei �� eine �� Beobachtungsgröße im Teilsystem A. Dann ist �� ̂ 1 ̂ ein Operator, der nur auf denjenigen Teil des kombinierten ��...
Seite 22 Quantenoptik-Kit Kapitel 3: Grundlagen der Quantenoptik † † † † [ �� ̂, �� ̂ ]| �� ⟩ = �� ̂�� ̂ | �� ⟩ − �� ̂ �� ̂ | �� ⟩ = √�� + 1 ∙ �� ̂ | �� + 1 ⟩ − √ �� ∙ �� ̂ | ��...
Seite 23 Quantenoptik-Kit Kapitel 3: Grundlagen der Quantenoptik Hier haben wir die Kommutatorbeziehung der Vernichtungs- und Erzeugungsoperatoren verwendet: † † �� ̂�� ̂ = 1 + �� ̂ �� ̂ (siehe Abschnitt 3.3.1). Die Varianz ist gleich dem Erwartungswert, was auf eine Poisson- Verteilung der Photonenzahlen hindeutet.
Seite 24 Quantenoptik-Kit Kapitel 3: Grundlagen der Quantenoptik Abbildung 6 Photonenzahlwahrscheinlichkeiten für einen Fock-Zustand (links), einen kohärenten Zustand (Mitte) und einen thermischen Zustand (rechts), alle mit der gleichen mittleren Photonenzahl <n> = 5. Beachten Sie, dass die Skalierung im ersten Diagramm anders ist als im zweiten und dritten, um eine bessere Lesbarkeit zu gewährleisten.
Seite 25 Quantenoptik-Kit Kapitel 3: Grundlagen der Quantenoptik Ordnung. Für das klassische elektromagnetische Feld und zwei Detektoren A und B ist diese Funktion wie folgt definiert: 〈 �� (��) 〉 (�� + ��) ∙ �� ( �� ) = (72) ��...
Seite 26 Quantenoptik-Kit Kapitel 3: Grundlagen der Quantenoptik Abbildung 8 Geometrie des Strahlteilers Unter Verwendung der Transmissions- und Reflexionskoeffizienten des Strahlteilers �� und ��, kann gezeigt werden , dass die folgenden Beziehungen für die Vernichtungs- und Erzeugungsoperatoren der Ein- und Ausgänge gelten: ��...
Seite 27 Quantenoptik-Kit Kapitel 3: Grundlagen der Quantenoptik Hierbei sind �� ̂ und �� ̂ die Intensitätsoperatoren an den Detektoren A und B und die Doppelpunkte bezeichnen die �� so genannte normale Anordnung, was bedeutet, dass alle Erzeugungsoperatoren links von allen Vernichtungsoperatoren stehen.
Seite 28 Quantenoptik-Kit Kapitel 3: Grundlagen der Quantenoptik † † | �� | ⟨��|�� ̂ �� ̂ �� ̂ �� ̂ |��⟩ ( 0 ) = �� (90) �� (| �� | † ⟨��|�� ̂ �� ̂ |��⟩ Die Korrelationsfunktion zweiter Ordnung für kohärente Zustände ist 1, unabhängig von der mittleren Photonenzahl 〈...
Seite 29 Quantenoptik-Kit Kapitel 3: Grundlagen der Quantenoptik 3.5.2 Korrelationsfunktion für Einzelphotonen-Detektoren Um die extrem niedrigen Intensitäten, die in der Quantenoptik üblich sind, zu detektieren, werden Einzelphoton- Detektoren eingesetzt. Diese Detektoren geben kein kontinuierliches Signal aus, sondern einzelne Ausgangsimpulse (Zählimpulse oder Klicks genannt). Es ist wichtig, sich darüber im Klaren zu sein, dass die Klicks eines solchen Detektors für sich genommen nicht die Quantisierung des Lichtfeldes beweisen.
Seite 30 Quantenoptik-Kit Kapitel 3: Grundlagen der Quantenoptik Für thermische Lichtquellen (siehe Abschnitt 3.3.3), fällt die zeitabhängige Korrelationsfunktion von 2 bei �� = 0 auf 1 für �� ≫ �� ab, wobei �� die Kohärenzzeit des Lichts ist, wie in Abbildung 9 dargestellt. Die Kohärenzzeit ��...
Seite 31 Quantenoptik-Kit Kapitel 3: Grundlagen der Quantenoptik Abbildung 10 Schematische Darstellung des Grangier-Roger-Aspect-Experiments Mit diesem Ansatz erhielten sie ( 0 ) = 0.18 ; ein Ergebnis, welches nur durch die Quantisierung des �� elektromagnetischen Feldes erklärt werden kann (der Index GRA weist auf die Änderung des Aufbaus im Vergleich zu einem HBT-Intensitätsinterferometer hin).
Seite 32 Quantenoptik-Kit Kapitel 3: Grundlagen der Quantenoptik Koinzidenz zwischen A und B wird nur dann registriert, wenn sowohl Detektor A als auch B ein Ereignis in Koinzidenz mit demselben Ereignis an Detektor T registrieren, was zu einer Dreifach-Koinzidenzzählrate �� führt. Die Definition für die Korrelationsfunktion zweiter Ordnung bleibt bestehen (siehe Abschnitt 3.5.2): ��...
Seite 33 Quantenoptik-Kit Kapitel 3: Grundlagen der Quantenoptik �� 25 Hz �� ( 0 ) = (102) �� ∙ �� ∙ ∆�� 5 kHz ∙ 5 kHz ∙ 1 µs �� So weit ist alles wie erwartet. Aber jetzt haben wir einen zweiten Photonenstrom, der mit dem ersten identisch ist (da die Photonen paarweise erzeugt werden).
Seite 34 Quantenoptik-Kit Kapitel 3: Grundlagen der Quantenoptik (2+1) −9 (108) = ( �� ) ∙ ∆�� = 2 ∙ 10 �� ∙ �� + �� ∙ �� Hz ∙ 5 ∙ 10 s = 10 Hz �� Es ist offensichtlich, dass die zweite Art von zufälligen Dreifach-Koinzidenzen überwiegt.
Seite 35 Quantenoptik-Kit Kapitel 3: Grundlagen der Quantenoptik Rechnung zu tragen, dass die Eingänge und Ausgänge im Vergleich zum Aufspaltungsprozess vertauscht sind (siehe rechte Seite von Abbildung 11), werden die Ports „i" und „β" und die Ports „d" und „α" in den Gleichungen (78) und (79) vertauscht.
Seite 36 Quantenoptik-Kit Kapitel 3: Grundlagen der Quantenoptik (118) �� ( 1 ∙ (1 − cos ��) �� Die Summe �� ( 1 ) + �� ( 1 ) = 1 für alle Phasendifferenzen ��, daher bleibt die Energie erhalten. �� 3.6.2 Experimentelle Umsetzung In dem Experiment in diesem Kit, das dem ursprünglichen Aufbau von GRA sowie anderen nach...
Seite 37 Quantenoptik-Kit Kapitel 3: Grundlagen der Quantenoptik |��⟩ und mit rechtshändiger Polarisation (Spin -1) als | �� ⟩ bezeichnet. Der Spin-Zustand 0 ist nicht möglich, da Photonen masselos sind und sich immer mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Diese beiden Zustände sind orthogonal, d.h., ⟨ �� | �� ⟩ = 0. Sie bilden auch eine Basis im Hilbert-Raum der Polarisationszustände, was bedeutet, dass jeder Polarisationszustand durch eine lineare Kombination von | ��...
Seite 38 Quantenoptik-Kit Kapitel 3: Grundlagen der Quantenoptik Wenn nur sehr wenige Ereignisse gemessen werden, kann aus der Messung nicht auf die zugrunde liegende Wahrscheinlichkeitsverteilung geschlossen werden. Bei einer großen Anzahl von Messungen von Photonen, die im gleichen Zustand präpariert sind, konvergiert das probabilistische Ergebnis gegen die klassische Erwartung. 3.7.2 Experimentelle Umsetzung Bei dem Experiment in diesem Kit wird ein linearer Polarisator vor dem Detektor B in einer GRA-Aufbaugeometrie...
Seite 39 Quantenoptik-Kit Kapitel 3: Grundlagen der Quantenoptik auf den dritten Teil der kombinierten Zustände auf die gleiche Weise wie in Abschnitt 3.7. Die Zustände in den Armen werden also durch die Polarisatoren auf folgende Weise transformiert , 45°⟩ → , ��⟩ (130) ��...
Seite 40 Quelle. Heutzutage verwenden die meisten Experimente einen Prozess namens Parametrische Fluoreszenz (englisch: spontaneous parametric down-conversion, SPDC), um Photonenpaare zu Thorlabs bietet mit dem EDU-QE1(/M) ein Quantenradierer-Analogie-Kit an. Das Handbuch ist kostenlos auf der Produktwebseite erhältlich und stellt das Quantenradierer-Experiment näher vor.
Seite 41 Quantenoptik-Kit Kapitel 3: Grundlagen der Quantenoptik erzeugen. Bei SPDC werden in einem nichtlinearen Kristall Photonenpaare aus Pumplicht erzeugt, typischerweise aus der Strahlung eines Pumplasers. Diese Photonen werden praktisch gleichzeitig erzeugt, so dass eines der Photonen verwendet werden kann, um die Existenz des anderen zu signalisieren, wodurch es möglich ist, Messungen an einzelnen Photonen durchzuführen.
Seite 42 Quantenoptik-Kit Kapitel 3: Grundlagen der Quantenoptik bestimmt. Wenn das Pumplicht orthogonal zur Signal- und Idler-Polarisation polarisiert ist, gilt eine andere Dispersionsbeziehung. Dadurch ist es möglich, Ausrichtungen des Kristalls (im Verhältnis zu �� ⃗ und der Pump- �� Polarisation) zu finden, die beide Gleichungen (139) und (140) erfüllen. Der Brechungsindex als Funktion der Wellenlänge für BBO ist in Abbildung 15 dargestellt.
Seite 43 Quantenoptik-Kit Kapitel 3: Grundlagen der Quantenoptik Winkel mit dem Pumpstrahl und umgekehrt. Diese Wellenlängenabweichung wird dadurch begrenzt, wie gut die Phasenanpassung bei den verschiedenen Wellenlängen erfüllt ist, da die Effizienz des SPDC-Prozesses bei nicht optimaler Phasenanpassung stark abfällt. In der Konfiguration dieses Kits werden die Photonenpaare in einem 47,48 Wellenlängenbereich von bis zu mehreren 10 nm und Winkeln von bis zu mehreren Grad emittiert .
Seite 44 Quantenoptik-Kit Kapitel 4: Experimentelle Konzepte Kapitel 4 Experimentelle Konzepte Einzelphotonen-Detektoren Einzelphoton-Detektoren basieren auf dem Design der Avalanche Photodiode (APD). Ein eintreffendes Photon erzeugt ein Elektron-Loch-Paar im Halbleitermaterial der APD (Silizium für die Detektoren in diesem Kit). Eine starke Sperrspannung wird an den Halbleiter angelegt, wodurch das Elektron so stark beschleunigt wird, dass es durch Stoßionisation zusätzliche freie Elektronen erzeugt, die wiederum noch mehr Elektronen erzeugen.
Seite 45 Quantenoptik-Kit Kapitel 4: Experimentelle Konzepte Bei unseren Detektoren steigt die Wahrscheinlichkeit von Afterpulsing mit zunehmender Verstärkung, ist aber selbst bei maximaler Verstärkung gering. In den in diesem Handbuch beschriebenen Experimenten führt das Afterpulsing zu einer leichten Überschätzung aller Detektor-Zählraten, verändert aber keines der Ergebnisse wesentlich.
Seite 46 Quantenoptik-Kit Kapitel 4: Experimentelle Konzepte (welches das vollständige Koinzidenzfenster ist, das beschreibt, wann eine Zählung auf B eine Koinzidenz mit einer festen Zählung auf A erzeugen kann) um einen Faktor 2 unterscheiden: ∆�� = 2 ∙ ∆�� Abbildung 19 Definition einer Koinzidenz zwischen zwei Kanälen des Time Taggers (Die Balken markieren die Länge des Koinzidenzfensters).
Seite 47 Quantenoptik-Kit Kapitel 4: Experimentelle Konzepte Obwohl Dreifach-Koinzidenzen auch auf andere Weise definiert werden können und verschiedene Nachweissysteme möglich sind, sind die hier beschriebene Methode und Definition die beste Lösung für die Experimente in diesem Kit. Weitere Einzelheiten finden Sie in Abschnitt 12.1. 4.2.3 Verzögerungskompensation Wenn zwei oder mehr Detektoren mit verschiedenen Kanälen des Time-Taggers verbunden sind, werden ihre...
Seite 48 Ø1/2" Post, 1" (30 mm) lang Vorselektiert auf ±1 nm. Diese Laserdiode enthält ein Datenblatt mit der zugehörigen LIV-Kurve. Das EDU-QOP1/M Kit wird mit einem 30,1 mm hohen Posthalter geliefert. Für einen Ersatz wenden Sie sich bitte an den technischen Support (techsupport@thorlabs.com).
Seite 49 Es handelt sich um einen KM100CP(/M) Halter mit zusätzlichen Markierungen. Für Ersatz wenden Sie sich bitte an den technischen Support (techsupport@thorlabs.com). Das EDU-QOP1/M Kit wird mit einem 30,1 mm hohen Posthalter geliefert. Für Ersatz wenden Sie sich bitte an den technischen Support (techsupport@thorlabs.com).
Seite 50 Es handelt sich um eine ID15(/M) Irisblende ohne den TR3(TR75/M) Post. Für Ersatz, siehe ID15(/M) Irisblende auf der Webseite. Es handelt sich um eine ID25(/M) Irisblende ohne den TR3(TR75/M) Post und mit längerer 8-32 (M4) Madenschraube). Für Ersatz wenden Sie sich bitte an den technischen Support (techsupport@thorlabs.com). Seite 42...
Seite 51 Quantenoptik-Kit Kapitel 5: Kit Komponenten 1 x SM1CP2 1 x SM05CP2 1 x PH2E (PH50E/M) 2 x SM1D12D Endkappe mit SM1 Endkappe mit SM05 Ø1/2" (Ø12,7 mm) SM1 Irisblende, Außengewinde Außengewinde Posthalter mit Ringmechanismus Sockel, magnetisch, Ø12 mm Max. Apertur 2,19"...
Seite 52 Quantenoptik-Kit Kapitel 5: Kit Komponenten Detektoren 3 x SPDMA 3 x CXY1A 3 x SM1NR05 3 x AC127-050-B Einzelphotonendetektor XY Translationshalter SM1 Zoomgehäuse Ø1/2" Achromatisches 350 nm - 1100 nm für Ø1" Optiken für Ø1/2" Optiken Doublet, f = 50 mm, Ø500 µm Detektorfläche Anti-Reflection Coating: 650 nm - 1050 nm...
Seite 53 Quantenoptik-Kit Kapitel 5: Kit Komponenten Michelson-Interferometer 1 x MB8 (MB2020/M) 1 x NFL5DP20S(/M) 1 x NFL5P1(/M) 1 x KPC101 für K-Cube Controller Aluminium- Positioniertisch mit 5 Adapterplatte für Piezoelemente und Strain Gauges Lochrasterplatte mm Verfahrweg, Positioniertisch 8" x 8" (200 mm x 200 Mikrometerschraube und 20 µm Piezoantrieb mit...
Seite 54 1,69" (44,7 mm) lang Time Tagger und Software 1 x EDU Time Tagger 3 x CA2924 1 x USB-Stick SMA Koaxialkabel Stecker-zu- EDU-QOP1 Software Stecker 24" (609 mm) lang Quantenradierer 2 x LPNIRB050 1 x LPNIRE100-B 1 x WPH10ME-808 4 x RSP1D(/M) Ø1/2"...
Seite 55 Quantenoptik-Kit Kapitel 5: Kit Komponenten 2 x SM1A6T 2 x RS1.5P8E 2 x RS2P8E (RS2P4M) 2 x RS4M (RS5M) Adapter mit SM1 (RS1.5P4M) Ø1" (Ø25 mm) Post mit Abstandshalter für Außengewinde und SM05 Ø1" (Ø25 mm) Post mit Sockel, Ø1" Posts, 4 mm Innengewinde Sockel, 8-32 (M4) Gewinde,...
Seite 56 Quantenoptik-Kit Kapitel 5: Kit Komponenten Schrauben und Werkzeuge 5.9.1 Zölliges Kit Zur Kombination von Komponenten Zur Montage von Baugruppen auf dem Breadboard Anzahl Anzahl 8-32 x 1/4" Schraube 1/4"-20 x 1/4" Schraube 8-32 x 5/8" Schraube 1/4"-20 x 3/8" Schraube 8-32 x 1/2"...
Seite 57 Quantenoptik-Kit Kapitel 5: Kit Komponenten Kugelkopf-Schraubendreher Schlitzschraubendreher 1 x BD-2M 1 x BD-3M 1 x BD-5M 1 x Schlitz- Schraubendreher für M6 2 mm Schraubendreher für M4 schraubendreher Schraubendreher Schrauben Schrauben 1,8 mm x 0,5 mm 1 x 1/4”-80 Abnehmbarer goldener Drehknopf Rev.
Seite 58 Quantenoptik-Kit Kapitel 6: Aufbau-Kurzanleitung Kapitel 6 Aufbau-Kurzanleitung Dieses Kapitel enthält eine Zusammenfassung des Aufbaus für erfahrene Benutzer, die auch als Auffrischung genutzt werden kann, wenn Sie den Aufbau mehrmals wiederholen. Der Zusammenbau der Komponenten wird in Abschnitt 7.1 beschrieben und eine detaillierte Anleitung zum Aufbau des Systems finden Sie im weiteren Verlauf von Kapitel 7.
Seite 59 Quantenoptik-Kit Kapitel 6: Aufbau-Kurzanleitung Abbildung 23 Aufbau der Paarquelle. Die Zahlen in Klammern sind die Nummern der Löcher auf dem Breadboard (von links / von unten). GRA Experiment (Abschnitt 7.5) • Platzieren Sie einen Strahlteiler im Pfad zu Detektor A und positionieren Sie Detektor B im anderen Ausgang des Strahlteilers.
Seite 60 Quantenoptik-Kit Kapitel 6: Aufbau-Kurzanleitung • Setzen Sie die beiden Polarisatoren mit einem Durchmesser von 1/2" in die Arme des Interferometers und stellen Sie beide Polarisatoren auf 0° ein. • Verwenden Sie die rote LED, um das Interferometer neu zu justieren. •...
Seite 61 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung Kapitel 7 Aufbau und Justierung Dieses Kapitel enthält eine detaillierte und gründliche Anleitung zum Aufbau aller Komponenten und Experimente des Kits. Kapitel 6 bietet eine sehr kurze Zusammenfassung für erfahrene Benutzer oder mehrmaliges Aufbauen. 7.1 Zusammenbau der Komponenten 7.1.1 Pumplaser...
Seite 62 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung o Verwenden Sie den SPW301 Spannschlüssel für Schritt 4 und den SPW909 Spannschlüssel für Schritt 5. o Schrauben Sie in Schritt 5 den S1TM09-Adapter in die Frontplatte, bis Sie einen erhöhten Widerstand bemerken, da die Gummilippe des S1TM09-Adapters in das SM1-Gewinde eingreift.
Seite 63 • Bitte beachten Sie: o Der KM100CP(/M) Spiegelhalter hat zwei Gewindesockel. Befestigen Sie den mit „Thorlabs" beschrifteten Sockel an der Magnetplatte (wie in Schritt 2 in Abbildung 29 gezeigt). Dies ermöglicht später im Aufbau einen besseren Zugang zu den Justierschrauben.
Seite 64 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung Abbildung 30 Erste Spiegelbaugruppe (Setzen Sie zwei zusammen) Abbildung 31 Zweite Spiegelbaugruppe (Setzen Sie eine zusammen) Abbildung 32 Dritte Spiegelbaugruppe (Setzen Sie eine zusammen) Seite 56 MTN036012-D03...
Seite 65 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung 7.1.4 Irisblenden • Bauen Sie die drei Irisblenden wie in Abbildung 33 gezeigt auf. Abbildung 33 Aufbau der Irisblenden 7.1.5 Halbwellen-Platten • Montieren Sie die Wellenplatten wie in Abbildung 34 gezeigt. • Bitte beachten Sie: o Verwenden Sie in Schritt 1 einen 5/64"...
Seite 66 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung o Verwenden Sie für Schritt 2 einen SPW603 Spannschlüssel. o Achten Sie bei Schritt 5 darauf, die markierten Kanten parallel auszurichten. Abbildung 35 Zusammenbau des Axicons Abbildung 36 Skizze der Elemente der Axicon-Komponente vor (oberes Bild) und nach (unteres Bild) dem Zusammenbau.
Seite 67 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung Schraubenzieher, um die Justierschraube zu halten, während Sie die Köpfe ab- bzw. anschrauben. Abbildung 37 Zusammenbau des BBO-Kristalls • Montieren Sie den Farbglasfilter wie in Abbildung 38 gezeigt. • Bitte beachten Sie: o Richten Sie in Schritt 1 die markierten Kanten so parallel wie möglich aus. o Berühren Sie in Schritt 2 nicht die Filteroberflächen.
Seite 68 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung Abbildung 39 Zusammenbau der Strahlteiler 7.1.8 Detektoren • Entfernen Sie die Lenstubes von den drei SPDMA-Detektoren und bauen Sie die drei Detektoren zusammen, so wie auf der linken Seite von Abbildung 40 gezeigt. • Bitte beachten Sie: o Führen Sie nach Schritt 2 einen 5/64"...
Seite 69 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung o Bevor Sie mit der Montage beginnen, entfernen Sie den SM05RR Haltering aus dem SM1NR05 Zoomgehäuse und den SM1RR Haltering aus dem SM1L05 Lenstube. o In Schritt 1 sollte die konvexe Seite der Linse zum SM1NR05 zeigen (siehe Abbildung 41 unten).
Seite 70 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung 7.1.10 Strahlfalle • Bauen Sie die Strahlfalle wie in Abbildung 42 gezeigt zusammen. • Bitte beachten Sie: o Schrauben Sie in Schritt 1 die Madenschraube bis zum Anschlag in den SMR1(/M) Halter. Verwenden Sie einen 9/64" (3 mm) Sechskantschlüssel. o Verwenden Sie vor Schritt 3 einen 0,05"...
Seite 71 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung 7.1.12 Economy-Strahlteiler • Entfernen Sie den Haltering aus einer SM1L03 Lenstube und bauen Sie den Economy-Strahlteiler wie in Abbildung 44 gezeigt zusammen. • Bitte beachten Sie: o Vermeiden Sie es, die Strahlteileroberflächen zu berühren. o Verwenden Sie für Schritt 2 einen SPW606 Spannschlüssel.
Seite 72 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung Abbildung 46 Zusammenbau des ersten Spiegels für das Michelson-Interferometer • Bauen Sie den zweiten Spiegel für das Michelson-Interferometer wie in Abbildung 47 gezeigt zusammen. • Bitte beachten Sie: o Berühren Sie in Schritt 2 nicht die Spiegeloberfläche. Verwenden Sie die Nylonschraube des KM100 Halters, um den Spiegel zu befestigen.
Seite 73 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung 7.1.15 Linse • Schrauben Sie den Haltering aus einem LMR1(/M) Linsenhalter aus und bauen Sie die Linse wie in Abbildung 48 gezeigt zusammen. • Bitte beachten Sie: o Achten Sie bei Schritt 3 darauf, die Linsenoberflächen nicht zu berühren. o Verwenden Sie für Schritt 4 einen SPW606 Spannschlüssel.
Seite 74 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung Abbildung 50 Polarität der LED 7.1.17 Polarisatoren für Quantenradierer • Entfernen Sie den Haltering aus einem RSP1D(M) Rotationshalter und bauen Sie einen Polarisator wie in Abbildung 51 gezeigt zusammen. • Bitte beachten Sie: o Verwenden Sie in Schritt 1 einen 5/64" (2 mm) Sechskantschlüssel, um die Madenschraube so weit wie möglich in den RSP1D(/M) Halter einzuschrauben.
Seite 75 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung Abbildung 52 Zusammenbau der kleinen Polarisatoren (zwei Stück) 7.1.18 Beschriftung des Time Taggers • Verwenden Sie den Etikettenbogen, um die ersten drei Kanäle des Time Tagger zu beschriften, wie in Abbildung 53 gezeigt. o Kanal 1 → T o Kanal 2 →...
Seite 76 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung Abbildung 54 Optionale Beschriftung der Detektoren Vorbereitung 7.2.1 Software-Installation • Installieren Sie die Software des Kits wie in Abschnitt 11.1 beschrieben. 7.2.2 Kollimieren des Pumplasers • Platzieren Sie den Pumplaser auf der linken Seite des Breadboards, so dass er nach rechts zeigt, und sichern Sie seine Position mit einer CF125-Klemme und einer 1/4"-20 x 3/8"...
Seite 77 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung • Wählen Sie über das Menürad des KLD101 Controllers die Option 3: Max Current und stellen Sie den maximalen Strom auf 50 mA ein, wie in Abbildung 56 gezeigt. Abbildung 56 Maximale Stromeinstellung für den KLD101 Controller •...
Seite 78 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung Abbildung 58 Laser auf dem Schirm vor der Kollimation • Verwenden Sie den SPW909 Spannschlüssel, um den Linsenadapter im Pumplaser im Uhrzeigersinn zu drehen. Dadurch wird die Linsenposition geändert und die Laserdivergenz verringert, bis der Laser auf dem Schirm wie in Abbildung 59 aussieht.
Seite 79 Positionieren Sie den Polarisator mit dem 1"-Durchmesser im Strahlengang des Justagelasers und stellen Sie den Beobachtungsschirm hinter den Polarisator, wie in Abbildung 61 gezeigt. Abbildung 61 Ausgangsposition für die Kalibrierung des Polarisators Ein Video, das den Prozess detailliert veranschaulicht, finden Sie unter: https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=14062#VideoPolarizerHVAlign Rev. B, 5. August 2024 Seite 71...
Seite 80 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung • Drehen Sie den Polarisator, bis die Intensität auf dem Schirm minimiert ist, und notieren Sie den Wert auf der Polarisator-Skala (122° im Beispiel in Abbildung 62). Abbildung 62 Polarisator nach Minimierung der Transmission •...
Seite 81 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung Abbildung 64 Schematischer Ablauf der Kalibrierung des Polarisators Aufbau des HBT-Experiments mit dem Justagelaser Als erstes Experiment empfiehlt es sich zu zeigen, dass ein abgeschwächter Laser nicht als Einzelphotonenquelle geeignet ist. Der Versuchsaufbau ist in Abbildung 65 schematisch dargestellt. Abbildung 65 Schematische Darstellung des HBT-Experiments mit dem Justagelaser Bauen Sie dieses Experiment wie folgt auf: •...
Seite 82 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung • Schalten Sie den Justagelaser ein und bewegen Sie die Justierhilfe, bis das Loch vom Laser getroffen wird. • Bewegen und drehen Sie den Strahlteiler, bis der Laser die Mitte der Irisblende trifft und die Reflexion des Strahlteilers durch das Loch in der Justierhilfe zurückfällt .
Seite 83 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung Reflexion vom Strahlteiler (Sollte nach der Justierung durch das Loch fallen) Abbildung 67 Rückseite des Ausrichtungswerkzeugs vor dem Justieren des Detektors • Sichern Sie die Position des Detektors mit einer CF125 Klemme und einer 1/4"-20 x 3/8" (M6 x 10 mm) Schraube mit Unterlegscheibe.
Seite 84 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung Zählraten sollten nun deutlich unter 50 kHz liegen. Wenn sie höher sind, muss der Raum weiter abgedunkelt werden • Drehen Sie das Zoomgehäuse des von Detektor A (linker Detektors aus der Perspektive des Filters betrachtet) etwa in die Mitte seines Bereichs (testen Sie, wie weit es sich in beide Richtungen drehen lässt und versuchen Sie dann, es von einem Endpunkt aus um den halben Weg zu drehen).
Seite 85 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung Einrichten der Photonenpaarquelle In diesem Abschnitt wird die Photonenpaarquelle aufgebaut. Diese Quelle bildet die Grundlage für alle quantenoptischen Experimente im Kit. Abbildung 69 zeigt einen Überblick über den Aufbau der Photonenpaarquelle. Die folgenden Unterabschnitte enthalten detaillierte Anweisungen für die Positionierung und Justierung der Komponenten.
Seite 86 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung Abbildung 71 Aufbau nach Platzierung des ersten Pumplaserspiegels • Schalten Sie den LDM9T(/M) Halter ein. Stellen Sie den Temperaturregler auf 25°C. • Schalten Sie den KLD101 Lasertreiber ein und stellen Sie den Laserstrom auf 15 mA ein. Schalten Sie den Pumplaser über die Taste am KLD101 ein.
Seite 87 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung • Schalten Sie den Pumplaser wieder ein und folgen Sie dem Strahl mit einem Blatt Papier oder einer Pappkarte. Der Strahl sollte den zweiten Spiegel zentral treffen. Korrigieren Sie Abweichungen nach links oder rechts, indem Sie entweder die untere kinematische Schraube des ersten Spiegels drehen (kleine Abweichungen) oder indem Sie die CF125-Klemme des ersten Spiegels lösen und die gesamte Spiegelkomponente drehen, bevor Sie sie wieder befestigen (größere Abweichungen).
Seite 88 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung • Schalten Sie den Pumplaser aus. Er ist jetzt grob justiert. In einem späteren Schritt erfolgt eine noch genauere Justierung. 7.4.2 Justierung von Pump- und Justagelaser auf gleichen Strahlengang • Positionieren Sie den Justagelaser auf das 10te Loch von links und das 13te Loch von vorne, sodass der Laser nach links zeigt, wie in Abbildung 75 dargestellt.
Seite 89 Justagelasers, um den Strahl auf der Irisblende der Strahlfalle zu zentrieren. o Wiederholen Sie alle oben genannten Schritte, bis der Justagelaser auf beide Blendenöffnungen zentriert ist, wie in Abbildung 77 gezeigt. Weitere Einzelheiten und ein Video finden Sie unter https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=14221 Rev. B, 5. August 2024 Seite 81...
Seite 90 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung Abbildung 77 Strahlengang nach erfolgreichem Beamwalk • Schalten Sie den Justagelaser aus und entfernen Sie den Spiegel von der magnetischen Platte. • Der nächste Schritt besteht darin, den Pumplaser auf denselben Strahlengang auszurichten wie den Justagelaser.
Seite 91 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung • Schalten Sie den Pumplaser aus. Sie haben nun die Strahlen des Pumplasers und des Justagelasers auf den exakt gleichen Strahlengang ausgerichtet. Das ist immens hilfreich, da Sie alle übrigen optischen Elemente nun mit dem Justagelaser anstelle des Pumplasers justieren können, was sowohl einfacher als auch sicherer ist.
Seite 92 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung Abbildung 80 Axicon-Reflexion auf der Rückseite der Iris (sollte nach der Ausrichtung wieder durch die Iris fallen) • Das Axicon ist so konzipiert, dass es einen Lichtkegel mit einem halben Öffnungswinkel von 3° erzeugt, wenn es mit der Wellenlänge des Justagelasers (635 nm) beleuchtet wird.
Seite 93 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung Abbildung 82 zeigt die Rückseite der Justierhilfe vor der Justierung. Die gekrümmte Linie ist ein Teil des Axicon-Kegels (der durch die Justierhilfe hindurchscheint), und der rote Fleck rechts ist die Reflexion vom Strahlteiler. Möglicherweise gibt es einen diffusen roten Fleck, der von der Reflexion des Detektorchips verursacht wird und ignoriert werden kann.
Seite 94 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung Ziehen Sie dann die Feststellschraube des DTSM1-Kopplers fest, um die Optik sicher mit dem Detektor zu verbinden. • Wiederholen Sie diesen Schritt für den zweiten Detektor. Diesmal sollten die beiden Justierschrauben gerade nach oben bzw. zu Ihnen hinzeigen. •...
Seite 95 Schließen Sie den KLD101 Lasertreiber und den Time Tagger über die mitgelieferten USB-Kabel an Ihren PC an. Starten Sie die EDU-QOP1 Software. Schalten Sie beide Detektoren ein und warten Sie, bis die Signal-LEDs grün leuchten. Öffnen Sie die Blendenöffnungen beider Detektoroptiken vollständig. Diese bleiben für alle weiteren Experimente und Justierschritte geöffnet.
Seite 96 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung • Wiederholen Sie die beiden vorherigen Schritte für den A-Detektor und maximieren Sie diesmal die Zählrate für Detektor A in der Software. Sie sollten eine ähnliche Zählrate wie für den Detektor T erreichen. 7.4.5 Justierung des Kristallwinkels •...
Seite 97 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung • Nachdem Sie die Zählraten der einzelnen Detektoren maximiert haben, wechseln Sie zum Delay Adjust Tab der Software und setzen das Koinzidenzfenster wieder auf 5 ns. Verwenden Sie die Standardeinstellungen der Software und starten Sie eine Messung. •...
Seite 98 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung Abbildung 88 Aufbau für das GRA Experiment. Neu hinzugefügte Komponenten sind mit einem Rechteck markiert. Die Komponenten sind nicht maßstabsgetreu und die genauen Positionen können geringfügig von den Angaben im Text abweichen. Die Zahlen in Klammern sind die Nummern der Löcher auf dem Breadboard (von links / von unten).
Seite 99 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung • Vergewissern Sie sich, dass der Laser immer noch auf die Mitte der Blende des Strahlteilers justiert ist, und sichern Sie die Position des Strahlteilers mit einer CF125-Klemme und einer 1/4"-20 x 3/8" (M6 x 10 mm) Schraube mit Unterlegscheibe.
Seite 100 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung Laserschutzbrille, wenn Sie mit dem Pumplaser arbeiten! Verdunkeln Sie den Raum auf ähnliche Bedingungen wie zuvor. • Drehen Sie das Zoomgehäuse des Detektors etwa in die Mitte seines Bereichs (testen Sie, wie weit es sich in beide Richtungen drehen lässt und versuchen Sie dann, ihn von einem Endpunkt aus um die Hälfte zu drehen).
Seite 101 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung Abbildung 91 Versuchsaufbau für das Gesetz von Malus Justierung des Michelson-Interferometers In diesem Abschnitt wird ein Michelson-Interferometer für Einzelphotonen (siehe Abschnitt 3.6) aufgebaut. Abbildung 92 zeigt einen Überblick des Aufbaus, wobei die roten Rechtecke die neu hinzugefügten oder verschobenen Komponenten markieren.
Seite 102 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung 7.6.1 Zusätzlicher Justierpfad Bevor Sie das Interferometer aufbauen, ist es hilfreich, einen zweiten Justierpfad für den Justierlaser einzurichten, der dem Weg der Photonen vom Kristall zum Strahlenteiler folgt. Gehen Sie dazu wie folgt vor: •...
Seite 103 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung • Wiederholen Sie die Beamwalk-Prozedur wie in Abschnitt 7.4.2 (verwenden Sie nur die Justierschrauben der Spiegel, nicht die des Justagelasers!) Sie haben nun alles neu justiert. Bewegen Sie den Justagelaser zurück auf seine Position im zweiten Justierpfad und fahren Sie fort.
Seite 104 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung • Platzieren Sie das kleine MB8 (MB2020/M) Breadboard auf dem freien Platz rechts neben dem KLD101 Lasertreiber. • Platzieren Sie den Positioniertisch mit dem goldenen Spiegel in der hinteren linken Ecke des kleinen Breadboards, so dass sich die lange Kante des Positioniertisches und die Kante des kleinen Breadboards überlappen, wie in Abbildung 95 gezeigt.
Seite 105 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung sollte etwa 20 cm betragen. Richten Sie das Breadboard so aus, dass der Laser die Mitte des Strahlteilers trifft und die Rückreflexion des Strahlteilers das Loch in der Justierhilfe passiert. Befestigen Sie das Breadboard in seiner nun endgültigen Position wieder mit den Klemmen. •...
Seite 106 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung Abbildung 98 Justierung der Interferometer-Arme • Bewegen Sie die Justierschrauben an einem der Spiegel im Interferometer. Sie werden sehen, dass sich einer der Spots bewegt. Justieren Sie den Spiegel, bis sich der bewegende Spot mit dem internen Reflexionsspot überlagert.
Seite 107 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung Abbildung 99 Spots auf dem Schirm vor (links) und nach (rechts) der Justierung der Interferometer-Spiegel • Positionieren Sie die Ø1"-Linse zwischen dem Justagelaser und dem Interferometer, wie in Abbildung 100 gezeigt. Stellen Sie die Höhe und Position der Linse so ein, dass der Justagelaser auf der Linse zentriert ist. Wenn Sie beide Arme des Interferometers blockieren, sehen Sie ein Muster durch die interne Reflexion des Strahlteilers, das Sie ignorieren können.
Seite 108 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung an. Sind die Streifen horizontal, nutzen Sie die obere Justierschraube, bei vertikalen Streifen dagegen die untere. • Sie werden im zentrierten Muster wahrscheinlich mehrere Interferenzringe sehen (ähnlich wie auf der linken Seite von Abbildung 101). Das bedeutet, dass es einen signifikanten Unterschied zwischen den Armlängen des Interferometers gibt.
Seite 109 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung • Wahrscheinlich werden Sie noch kein Interferenzmuster auf dem Schirm sehen. Bewegen Sie den Feintrieb der Mikrometerschraube des Positioniertisches (siehe Abbildung 103) sehr langsam (etwa 2 kleine Skalenstriche pro Sekunde) in eine Richtung, bis ein Interferenzmuster erscheint .
Seite 110 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung Abbildung 104 Einstellen der Positioniertisch-Position mithilfe der Software 7.6.3 Positionierung des dritten Detektors • Entfernen Sie die LED und schalten Sie den Justagelaser ein. Entfernen Sie den Schirm. Verwenden Sie den Schirm, um den Arm des Michelson-Interferometers zu blockieren, der zu dem Spiegel führt, der sich nicht auf dem Positioniertisch befindet, wie in Abbildung 105 gezeigt.
Seite 111 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung o Das Licht, das durch das Loch in der Justierhilfe fällt, den Detektorchip zentral trifft. o Die Reflexion des Strahlenteilers vor dem Detektor durch das Loch in der Justierhilfe zurückfällt. Sichern Sie dann die Position des Detektors mit einer CF125 Klemme und einer 1/4"-20 x 3/8" (M6 x 10 mm) Schraube mit Unterlegscheibe.
Seite 112 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung • Falls Sie diese Fluktuation nicht sehen: o Schalten Sie den Pumplaser aus. Setzen Sie den Justagelaser auf die Magnetplatte hinter dem Kristall. Stellen Sie den Schirm vor den Detektor. o Schalten Sie den Justagelaser ein und prüfen Sie, ob das Licht der beiden Interferometerarme an der gleichen Stelle auf den Schirm trifft.
Seite 113 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung Abbildung 106 Kabelmanagement für ein Einzelphotonen-Michelson-Interferometer • Öffnen Sie den Michelson Tab in der Software und klicken Sie auf die Schaltfläche Calibrate Stage. Warten Sie, bis die Kalibrierung abgeschlossen ist. • Starten Sie eine Messung mit den voreingestellten Parametern. Sie sollten eine typische Michelson- Interferenzkurve sehen, wie sie in Abbildung 107 dargestellt ist.
Seite 114 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung o Wenn die Zählrate bei der Einstellung 0° höher ist, dann steht die Achse Ihres Polarisators bei 0° senkrecht zur Tischebene. Stellen Sie in diesem Fall den Polarisator auf 90°, arretieren Sie die Feststellschraube und richten Sie die Skala wieder auf 0° aus, um den gewünschten Fall zu erreichen.
Seite 115 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung • Platzieren Sie die Justierhilfe vor dem Strahlteiler des Interferometers, so dass der Justagelaser durch das Loch in der Justierhilfe fällt. • Setzen Sie einen der Polarisatoren mit Ø1/2" Durchmesser in den Arm des Interferometers, der zum Spiegel auf dem Positioniertisch führt.
Seite 116 Quantenoptik-Kit Kapitel 7: Aufbau und Justierung Abbildung 110 Michelson-Interferometer für das Quantenradierer-Experiment • Führen Sie dieselbe Testmessung wie im letzten Schritt von Abschnitt 7.6.6 durch. Wenn Sie die Interferenzminima und -maxima sehen, haben Sie den Quantenradierer justiert. Weitere Einzelheiten zu diesem Experiment finden Sie in den Abschnitten 3.8 und 9.8.
Seite 117 Quantenoptik-Kit Kapitel 8: Lernziele und Missverständnisse Kapitel 8 Lernziele und Missverständnisse Da die Quantenoptik sowohl ein spannendes als auch anspruchsvolles Thema ist, fasst die folgende Tabelle die Experimente und die Lernziele zusammen. Übung Experiment Lernziel Mögliches Missverständnis Menschen neigen zu der falschen Vorstellung, dass Laserlicht nur ein Strom von Photonen ist, die als kleine Punkte visualisiert werden.
Seite 118 Quantenoptik-Kit Kapitel 8: Lernziele und Missverständnisse wird, sind die Eigenschaften immer noch klassisch. In der klassischen Wellentheorie kann Licht, das auf einen Polarisator fällt, in Anteile aufgeteilt werden, die parallel und senkrecht zur Ausrichtung des Polarisators verlaufen. Einer wird absorbiert, der andere durchgelassen.
Seite 119 Quantenoptik-Kit Kapitel 8: Lernziele und Missverständnisse individueller Zustand angenommen. Wenn die Messung nicht in dieser Hinsicht ausgelegt ist, muss sich das Photon nicht für einen Weg im Interferometer „entscheiden". Rev. B, 5. August 2024 Seite 111...
Seite 120 Quantenoptik-Kit Kapitel 9: Experimente Kapitel 9 Experimente In diesem Kapitel werden die Experimente, die mit dem Kit durchgeführt werden können, im Detail beschrieben. Die Lernziele der Experimente und häufige Missverständnisse, die in einem Praktikum angesprochen werden sollten, sind in Kapitel 8 zusammengefasst. Wenn Sie zwischen den Experimenten hin- und herwechseln möchten, können Sie das Michelson-Board mit zusätzlichen Klemmen markieren und in den Aufbau hinein- und herausbewegen.
Seite 121 Quantenoptik-Kit Kapitel 9: Experimente Größe Gemessener Wert �� 5 ns �� 391.118,45 Hz �� 315.945,65 Hz �� 619,1 Hz �� (��) 1,00201 �� (��) �� Tabelle 1 Ergebnisse der Beispielmessung (HBT mit abgeschwächtem Laser) Interpretation: Beginnen wir mit einer Annahme, die sehr überzeugend, aber völlig falsch ist: Der Laser emittiert einen Strom von Photonen mit einem konstanten Zeitabstand zwischen zwei Photonen.
Seite 122 Quantenoptik-Kit Kapitel 9: Experimente Abbildung 112 Schematischer Aufbau für die Photonenpaarquelle Messung: Verdunkeln Sie den Raum, öffnen Sie den Alignment-Tab in der Software und schalten Sie den Pumplaser ein. Zeichnen Sie die Zählraten für die Detektoren T und A in der oberen Grafik und die Koinzidenzzählrate T&A in der unteren Grafik auf.
Seite 123 Quantenoptik-Kit Kapitel 9: Experimente Ergebnisanalyse: Die Korrelation ( 0 ) wird automatisch über die folgende Gleichung berechnet (für die �� Herleitung siehe Abschnitt 3.5.2): �� (0) = �� ∙ �� ∙ �� Das Ergebnis ist von ��...
Seite 124 Quantenoptik-Kit Kapitel 9: Experimente Der Erwartungswert von hängt nicht von der Messzeit ab. Die Standardabweichung hingegen kann durch �� längere Messungen verringert werden. Tabelle 2 zeigt ein Messbeispiel Größe Gemessener Wert Messzeit 20,000 s Zählimpulse (Detektor T) 4,638 M Zählimpulse (Detektor A) 2,905 M Zählimpulse (Detektor B) 2,925 M...
Seite 125 Quantenoptik-Kit Kapitel 9: Experimente Dieses Mal wird das Ergebnis jedoch immer nahe bei 1 liegen. Interpretation: Das Licht des Filters befindet sich in einem thermischen Zustand. Die Photonen werden durch den Fluoreszenz-Vorgang nicht als Paare erzeugt, sondern zufällig. Es gibt also keine Korrelation zwischen den Ereignissen auf dem Detektor T und den Ereignissen auf den Detektoren A und B.
Seite 126 Quantenoptik-Kit Kapitel 9: Experimente Koinzidenzzählrate (0) GRA Abbildung 117 Beispielmessung für das Gesetz von Malus für Einzelphotonen Einzelphotonen-Michelson-Interferometer Ziel: Testen Sie die Interferenzeigenschaften von Einzelphotonen und bestimmen Sie deren Wellenlänge. Aufbau: Starten Sie mit dem Aufbau aus Abschnitt 9.4 und platzieren Sie ein Michelson-Interferometer in einem der Ausgänge des Strahlteilers.
Seite 127 Quantenoptik-Kit Kapitel 9: Experimente Nehmen Sie eine zweite Messung auf, dieses Mal mit einem reduzierten Messbereich (z.B. 9 µm Startposition und 11 µm Endposition), einer längeren Integrationszeit (z.B. 1200 ms) und einer kleineren Schrittweite (z.B. 10 nm). Auch hier speichern Sie die Ergebnisse nach Abschluss der Messung. Analyse der Ergebnisse: Öffnen Sie die .csv-Datei der ersten Messung mit einer Tabellenkalkulationssoftware und stellen Sie die Daten für die Koinzidenzzählrate ��...
Seite 128 Quantenoptik-Kit Kapitel 9: Experimente Das �� (0) Diagramm der ersten Messung zeigt deutliches Rauschen, wie in Abbildung 119 zu sehen. Für manche �� Datenpunkte wird als 0 gemessen, kann aber an einigen Punkten Werte bis zu 0,15 erreichen. Der Grund ��...
Seite 129 Quantenoptik-Kit Kapitel 9: Experimente Abbildung 121 Schematischer Aufbau für das Quantenradierer-Experiment Messung: Stellen Sie beide Polarisatoren auf 0° ein, verdunkeln Sie den Raum und öffnen Sie den Michelson-Tab in der Software. Stellen Sie die Start- und Endposition des Tisches auf einen Abstand von etwa 1 µm ein. Nehmen Sie eine Messung auf.
Seite 130 Quantenoptik-Kit Kapitel 9: Experimente 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 10.0 10.2 10.4 10.6 10.8 11.0 Pol1: 0° Pol2: 0° Ohne Detektor-Polarisator Pol1: 0° Pol2: 90° Ohne Detektor-Polarisator Pol1: 0° Pol2: 90° Detektor-Polarisator:45° Abbildung 123 Werte der g2-Funktion in der Beispielmessung für den Quantenradierer Bei der zweiten Messung (die rote Kurve in Abbildung 122), werden die Polarisatoren in den Armen so eingestellt, dass sie senkrecht zueinanderstehen.
Seite 131 Quantenoptik-Kit Kapitel 10: Zusätzliche Experimente Kapitel 10 Zusätzliche Experimente 10.1 Kohärenzlänge Die Kohärenzlänge �� einer Lichtquelle kann durch Auswertung der Einhüllenden des mit der Quelle �� aufgenommenen Interferogramms bestimmt werden, wie in Abbildung 124 gezeigt wird. Abbildung 124 So bestimmen Sie die Kohärenzlänge �� aus einem Interferogramm ��...
Seite 132 Ein zusätzliches Experiment könnte darin bestehen, die Bandpassfilter vor allen drei Detektoren durch Filter mit einem breiteren Fenster zu ersetzen, wie z.B. den FBH800-40-Filter von Thorlabs. Auf diese Weise würden sich die Kohärenzlängen verringern, so dass das „wahre" Spektrum der SPDC-Quelle sogar mit einem einzigen Interferogramm über den gesamten Piezo-Bereich gemessen werden könnte.
Seite 133 Quantenoptik-Kit Kapitel 10: Zusätzliche Experimente Abbildung 126 Michelson-Messung mit FBH800-40 Filtern, Hüllkurvenmaximum zentriert Abbildung 127 Michelson-Messung mit FBH800-40 Filtern, Hüllkurvenmaximum bei 1µm 10.2 Doppelspaltexperiment mit Einzelphotonen 10.2.1 Übersicht Neben der Michelson-Interferometrie gibt es noch ein weiteres sehr bekanntes Experiment, welches die Eigenschaft von Einzelphotonen zeigt, „mit sich selbst zu interferieren“, den Doppelspaltversuch.
Seite 134 Quantenoptik-Kit Kapitel 10: Zusätzliche Experimente 10.2.2 Theorie Das Doppelspalt-Interferenzmuster für klassisches Licht ist durch die klassische Wellentheorie des Lichts gut erklärbar. Interessanterweise führen quantenmechanische Rechnungen für Einzelphotonen zum gleichen Resultat. Das Muster besteht aus einer sinusförmigen Interferenz mit einer Periode, die vom Abstand der beiden Spalte zueinander abhängt und einer sinc-förmigen Einhüllenden, deren Breite durch die Breite der einzelnen Spalte bestimmt wird.
Seite 135 Quantenoptik-Kit Kapitel 10: Zusätzliche Experimente Interferenz am Doppelspalt Position auf Schirm (mm) Abbildung 129 Berechnetes Doppelspalt-Interferenzmuster für R = 100 Hz, W = 100 µm, D = 300 µm, λ = 810 nm, L = 30 cm Wichtig ist, dass diese Berechnung auf der Annahme basiert, dass das Licht, welches auf den Doppelspalt fällt, räumlich perfekt kohärent ist, wie etwa Licht aus einer idealen Punktquelle.
Seite 136 Der folgende Abschnitt beschreibt eine mögliche Konfiguration für das Doppelspalt-Experiment als Erweiterung des EDU-QOP1(/M) Kits. Diese spezifische Konfiguration wurde erfolgreich getestet, aber andere Konfigurationen, etwa auf der Basis anderer Doppelspalt-Dimensionen sind in jedem Fall möglich. Abbildung 131 zeigt eine Skizze des Aufbaus.
Seite 137 Abbildung 133 gezeigt zusammen. Thorlabs verkauft den SD100K3 Doppelspalt als reguläres Produkt. Dieser hat die gleichen Spaltbreiten und Abstand wie der hier verwendete, ist allerdings nur 5mm lang, was zu niedrigeren Zählraten führen würde (etwa die Hälfte). Wenn Sie an dem langen Doppelspalt interessiert sind, kontaktieren Sie bitte unseren Technischen Support.
Seite 138 Quantenoptik-Kit Kapitel 10: Zusätzliche Experimente Abbildung 132 Zusammenbau von Doppelspalt (links) und Einzelspalt (rechts) Abbildung 133 Zusammenbau des zusätzlichen Spiegels Der Aufbau für das Doppelspaltexperiment ist in Abbildung 134 gezeigt. Seite 130 MTN036012-D03...
Seite 139 Quantenoptik-Kit Kapitel 10: Zusätzliche Experimente Abbildung 134 Aufbau für das Doppelspaltexperiment mit Einzelphotonen Starten Sie mit dem Aufbau für das GRA-Experiment (siehe Abbildung 114) und gehen Sie wie folgt vor: • Bauen Sie die zweite Justierstrecke so auf wie in Abschnitt 7.6.1 beschrieben. Setzen Sie den Justierlaser in die zweite Justierstrecke und schalten Sie ihn ein.
Seite 140 Originalposition. • Starten Sie die EDU-QOP1 Software. Stellen Sie sicher, dass im Connection-Fenster zumindest der Laser- Controller und der KDC-Controller verbunden werden (indem sie die entsprechenden Seriennummern aus den Dropdown-Menüs auswählen). Wenn der KDC101 Controller erkannt wurde, sollten Sie am rechten Rand ein Tab mit dem Namen „KDC“...
Seite 141 Quantenoptik-Kit Kapitel 10: Zusätzliche Experimente • Öffnen Sie den KDC-Tab in der Software. Setzen Sie die Start-Position auf 0 mm, die Endposition auf 12 mm, die Integrationszeit auf 1000 ms und die Schrittweite auf 0,1 mm. Starten Sie eine Messung. Das Resultat sollte einen groben Überblick vermitteln, wo das Interferenzmuster zu finden ist.
Seite 142 Quantenoptik-Kit Kapitel 10: Zusätzliche Experimente Abbildung 136 Erwartetes Ergebnis einer Messung mit dem im Text beschriebenen Aufbau Der Kohärenzgrad hängt hauptsächlich vom Durchmesser des Pumpstrahls auf dem BBO-Kristall (Ausdehnung der Lichtquelle) und dem Abstand zwischen Kristall und Doppelspalt ab. Letzteren zu erhöhen ist im bestehenden Aufbau schwierig und würde durch die Divergenz des Lichts zu Verlusten bei der Zählrate führen.
Seite 143 Quantenoptik-Kit Kapitel 10: Zusätzliche Experimente durchgeführt wird. Empfehlenswert sind dabei Schritte von 450 µm (3 volle Umdrehungen der Mikrometerschraube). • Manchmal ist das Interferenzmuster deutlich asymmetrisch. Dies passiert, wenn das Licht unter einem kleinen Winkel auf den Doppelspalt trifft. Um ein symmetrisches Muster zu erreichen, drehen Sie sehr vorsichtig die untere Justierschraube des Spiegels vor dem Doppelspalt.
Seite 144 Quantenoptik-Kit Kapitel 10: Zusätzliche Experimente werden, um die Komponenten richtig auszurichten. Um die gleiche Höhe für alle drei Polarisatoren zu erreichen, können Sie das Michelson-Interferometer-Breadboard oder einen PS3-Abstandshalter für jeden 1/2" Polarisator verwenden (einer ist im Kit enthalten). Eine detailliertere Analyse dieses Themas und dessen Bedeutung in der Lehre finden Sie in der Literatur einschließlich des optischen Analogons des Stern-Gerlach-Experiments.
Seite 145 Dazu eignen sich Thorlabs KEMK Halb-Aperturen, die in einem Lenstube gehaltert werden, das vorne an die Detektoroptik geschraubt werden kann. Wenn der hier beschriebene Effekt nur qualitativ demonstriert werden soll, sind Eigenbaulösungen, etwa Halbkreise aus Aluminiumfolie in einem Lenstube, völlig ausreichend.
Seite 146 Kapitel 10: Zusätzliche Experimente 10.7 Bomb Tester – Interaktionsfreie Messung Das EDU-BT1(/M) Kit ist ein Analogieversuch zum sogenannten Bomb Tester Experiment. Mit dem EDU-QOP1(/M) kit können Sie dieses Experiment in seiner tatsächlichen quantenmechanischen Form durchführen. Im Handbuch des EDU-BT1(/M) finden Sie alle notwendigen Informationen. Die Stabilität des Interferometers ist für diesen Versuch von erhöhter Bedeutung, siehe dazu Abschnitt 12.3.
Seite 147 Quantenoptik-Kit Kapitel 10: Zusätzliche Experimente Im Folgenden werden wir nicht nur einen einzelnen Qubit-Zustand diskutieren, sondern auch die Kombination von zwei Qubits mit den Bezeichnungen x und y. Um zu verdeutlichen, welcher Zustand zu welchem Qubit gehört, verwenden wir | �� ⟩ und | �� ⟩ um den Zustand jedes Qubits zu bezeichnen und x,y-Indizes, um anzuzeigen, zu welchem Qubit der Basiszustand gehört.
Seite 148 Quantenoptik-Kit Kapitel 10: Zusätzliche Experimente Eine andere Darstellung eines Qubits verwendet den Pfadzustand eines einzelnen Photons in einem Interferometer. Hier kennzeichnen wir die beiden Arme des Interferometers mit den Zuständen | �� ⟩ & | �� ⟩ . Wie die Experimente in diesem Kit zeigen, befindet sich das Photon in einem Überlagerungszustand beider Arme. Die Koeffizienten für beide Zustände werden durch die relativen Wahrscheinlichkeitsamplituden (in den Beispielen dieses Kits haben beide Arme immer die gleiche Amplitude) und die Phasendifferenz beschrieben.
Seite 149 Quantenoptik-Kit Kapitel 10: Zusätzliche Experimente Abbildung 142 Quantenschaltung zur Lösung des Deutsch-Problems, basierend auf zwei Qubits mit den Bezeichnungen x und y. Sie verwendet drei Hadamard-Gatter (H) und ein Zwei-Qubit-Gatter (�� ), das im �� Text beschrieben wird. Das Ergebnis ergibt sich aus der Messung des Zustands von Qubit x (M). Die Hadamard-Gatter werden verwendet, um einen separierbaren Überlagerungs-Anfangszustand für beide Qubits (��...
Seite 150 Quantenoptik-Kit Kapitel 10: Zusätzliche Experimente Hier wird der erste Qubit-Zustand | �� ⟩ durch die beiden Pfadzustände des einzelnen Photons in einem Interferometer dargestellt und das Qubit | �� ⟩ wird durch den Polarisationszustand repräsentiert. Die Initialisierung des Zustands erfolgt durch die Einstellung der Polarisation auf | �� ⟩ ∝ | �� ⟩ − | �� ⟩ , d.h. die lineare Polarisation wird um 45°...
Seite 151 Wenn Sie die Kinesis-Software verwenden, stellen Sie keine Verbindung zu den Controllern KLD101 und KPC101 her, da sich die EDU-QOP1-Software sonst nicht mit ihnen verbinden kann. Wir empfehlen Ihnen, zuerst die EDU-QOP1 Software zu starten, dann werden nur die KLC101 Controller in Kinesis aufgelistet.
Seite 152 Quantenoptik-Kit Kapitel 10: Zusätzliche Experimente 1. Montieren Sie die LCC-Komponenten in ihre Halter, wie in der Explosionsdarstellung gezeigt, und justieren Sie sie in das Michelson-Interferometer, genauso wie die Polarisatoren im Quantenradierer-Experiment (Abschnitt 7.7). Die Ausrichtungen der langsamen Achsen der LCCs sehen Sie in Abbildung 145: o Wenn Sie vom festen Spiegel auf den Strahlteiler blicken, sollte die langsame Achse der Wellenplatte in diesem Arm um 45°...
Seite 153 Quantenoptik-Kit Kapitel 10: Zusätzliche Experimente Abbildung 146 Auswahl eines Arbeitspunktes im Interferenzmuster. Hier wurde 9,5 µm gewählt. 5. Dies wird der Arbeitspunkt für die Kalibrierung der LCCs und spätere Messungen sein. Wenn sich die Temperatur des Michelson-Breadboards ändert und es sich ausdehnt oder zusammenzieht, beeinflusst dies die Phase des Interferogramms am Arbeitspunkt.
Seite 154 Quantenoptik-Kit Kapitel 10: Zusätzliche Experimente Abbildung 147 Michelson-Signal mit beiden LCC-Spannungen bei 20 V (oben) und einer LCC-Spannung bei kalibrierter niedriger Spannung (unten) 10.8.5 Beispielmessungen Der Deutsch-Algorithmus kann nun für jede der vier möglichen Funktionseingaben getestet werden: • Zwei konstante Funktionen - Minimale T&B Koinzidenzzählrate: o Beide LCC-Spannungen sind auf ��...
Seite 155 Quantenoptik-Kit Kapitel 10: Zusätzliche Experimente Abbildung 148 T&B Koinzidenzsignal für alle vier Funktionen des Deutsch Algorithmus mit Spannungskombinationen �� → �� → �� → �� . Der Einschub zeigt HIGH HIGH HIGH HIGH die Kinesis-Einstellungen für die letzte Kombination. 10.8.6 Diskussion der Fehlerquellen Wenn sich der Aufbau nicht perfekt im thermischen Gleichgewicht mit seiner Umgebung befindet, ändert sich die Temperatur des Michelson-Breadboards mit der Zeit und es zieht sich zusammen oder dehnt sich aus.
Seite 156 Quantenoptik-Kit Kapitel 10: Zusätzliche Experimente senkrecht zu den langsamen Achsen der LCCs. Daher hat das Umschalten der Retardierung der LCCs keine Auswirkungen auf die übertragenen Photonen. 10.8.7 Weitere Algorithmus-Ideen 105,106 Andere optische Implementierungen von QC-Algorithmen, wie der Grover- und der Shor- Algorithmus, finden Sie in der Literatur.
Seite 157 Quantenoptik-Kit Kapitel 10: Zusätzliche Experimente Abbildung 149 Startseite der Time Tagger Software Nachdem Sie sich mit Ihrem Time Tagger verbunden haben, sehen Sie den Home-Tab mit einer visuellen Darstellung des Geräts und einer Live-Ansicht der eingehenden Zählraten an den drei angeschlossenen Detektoreingängen.
Seite 158 Quantenoptik-Kit Kapitel 10: Zusätzliche Experimente Abbildung 151 Einrichtung des Scopes in der Time Tagger Software Im Bereich „Logic level time trace" (siehe Abbildung 152) zeigt das obere Diagramm den Zeitbereich an, wie er im Eigenschaftsfenster auf der linken Seite eingestellt ist. Eventuell müssen Sie die Messung mit der Schaltfläche Play links neben dem oberen Diagramm starten.
Seite 159 Instruments Time Tagger Software und dotnet-runtime). Installieren Sie alle vier Elemente (die dotnet- runtime Datei muss vor der Time Tagger Software installiert werden). • Alternativ können Sie auch die Webseiten von Thorlabs, Swabian Instruments und Microsoft besuchen, um die neueste Version der jeweiligen Software zu installieren.
Seite 160 Quantenoptik-Kit Kapitel 11: Software • Wenn Sie den Dialog abbrechen, wird die Messung nicht gespeichert. Wenn Sie eine Datei auswählen, die bereits existiert, werden Sie gefragt, ob Sie sie überschreiben möchten oder nicht. Wenn Sie nicht überschreiben wollen, wird die Messung nicht gespeichert. Wenn Sie sich für das Überschreiben entscheiden und die Datei gerade geöffnet ist, wird eine Fehlermeldung angezeigt.
Seite 161 Quantenoptik-Kit Kapitel 11: Software Abbildung 153 Connection Fenster 11.5 Alignment-Tab Abbildung 154 Alignment-Tab Dieser Tab, wie in Abbildung 154 gezeigt, wird verwendet, um das Setup vor den Messungen zu justieren. Die Zählraten der drei Detektoren T, A und B werden im oberen Diagramm angezeigt, während Sie im unteren Diagramm entweder die Koinzidenzzählraten von T&A und T&B oder die Korrelation zweiter Ordnung ��...
Seite 162 Quantenoptik-Kit Kapitel 11: Software • Laser Current (mA): Hier können Sie den Laserstrom für den Pumplaser einstellen, um die Pumpleistung anzupassen. Das Maximum liegt bei 100 mA, allerdings wird der Strom auch durch die Einstellung der maximalen Stromstärke im KLD101 Lasertreiber begrenzt; siehe Abschnitt 7.2.2. 11.6 Delay Adjust Tab In diesem Tab, wie in Abbildung 155 gezeigt, wird die Messung der Verzögerungskompensation durchgeführt, wie...
Seite 163 Quantenoptik-Kit Kapitel 11: Software • Save: Diese Schaltfläche speichert die letzte Messung in diesem Tab als Komma-separierte Textdatei (.csv), die leicht in Tabellenkalkulationsprogramme importiert werden kann. Zusätzlich werden die aktuellen Softwareeinstellungen in einer separaten .xml-Datei im selben Verzeichnis gespeichert. Es wird auch ein Screenshot der Software gespeichert, wenn die entsprechende Einstellung aktiviert ist, siehe Abschnitt 11.10.
Seite 164 Quantenoptik-Kit Kapitel 11: Software Auf der linken Seite der Tabs befinden sich die folgenden Bedienelemente: • Measurement Time: Dieser Wert legt die Gesamtzeit der Messung fest. Längere Zeiten führen zu höheren Zählsummen (Counts) und verringern wiederum die statistische Unsicherheit der berechneten Autokorrelationsfunktionen.
Seite 165 Quantenoptik-Kit Kapitel 11: Software Auf der linken Seite des Tabs befinden sich von oben nach unten die folgenden Elemente: • Measurement Time: Dieser Wert legt die Gesamtzeit der Messung fest. Längere Zeiten führen zu höheren Zählsummen und verringern wiederum die statistische Unsicherheit der berechneten Autokorrelations- funktionen.
Seite 166 Quantenoptik-Kit Kapitel 11: Software Abbildung 159 Michelson-Tab In diesem Tab wird der KPC101 Controller für den Piezo-Positioniertisch verwendet. Die Verbindung zum Controller muss im Connection Fenster bei Start der Software hergestellt werden (siehe Abschnitt 11.4). Falls der Controller nicht verbunden oder eingeschaltet ist, wird eine Fehlermeldung angezeigt. Dieser Tab kann auch dann noch angezeigt werden, allerdings wird bei einer Messung die Position des Positioniertischs nicht geändert.
Seite 167 Quantenoptik-Kit Kapitel 11: Software • Zero Stage / Calibrate Stage: Die Zero Stage Schaltfläche startet den Zeroing-Prozess des KPC101 Controllers. Ein erneutes Nullen des Controllers ist zwingend notwendig, wenn der Controller aus- und wieder eingeschaltet wurde oder eine andere Stage an den Controller angeschlossen wurde. Für Kits älterer Revisionen, die anstatt des KPC101 eine Kombination aus KPZ101 und KSG101 enthalten, ändert sich der Name der Schaltfläche zu Calibrate Stage.
Seite 168 Quantenoptik-Kit Kapitel 11: Software Abbildung 160 Configuration-Tab 11.11 KDC Stage Tab Der KDC101 Controller ist nicht Teil des Kits, wird aber für einige Zusatzexperimente, wie etwa das Doppelspaltexperiment mit Einzelphotonen (beschrieben in Abschnitt 10.2), benötigt. Wenn ein oder mehrere KDC101 Controller an den Rechner angeschlossen und im Connection Fenster ausgewählt wurden, erscheint das KDC Stage Tab am Ende der Tab-Liste, wie in Abbildung 161 gezeigt.
Seite 169 Es gibt zwei Einstellungen, die komplexere Änderungen vornehmen und daher nicht über die Software steuerbar sind. Diese Einstellungen können direkt über die Konfigurationsdatei geändert werden, die sich in Ihrem Dokumentenordner unter \Thorlabs\EDU-QOP1 befindet. Die versteckten Einstellungen sind: • Koinzidenz-Modus: In Abschnitt 12.1 beschreiben wir drei verschiedene Möglichkeiten, Koinzidenzen zu definieren, sowie deren Vor- und Nachteile.
Seite 170 Quantenoptik-Kit Kapitel 12: Technische Hinweise Kapitel 12 Technische Hinweise 12.1 Weitere Definitionen von Dreifach-Koinzidenzen 12.1.1 Standard-Dreifach-Koinzidenzen Wenn man sich den Time Tagger in diesem Kit und viele Koinzidenzelektroniken in der Literatur ansieht, weicht die Standarddefinition von Dreifach-Koinzidenzen von der in Abschnitt 3.5.4 gegebenen Definition (von hier an „Koinzidenz der Koinzidenzen“...
Seite 171 Quantenoptik-Kit Kapitel 12: Technische Hinweise (��) �� ∙ �� 3 ∙ �� ∙ �� ∙ �� ∙ ∆�� _�� ( 0 ) = �� _�� (��) (��) 4 ∙ �� ∙ �� ∙ �� ∙ ∆�� ...
Seite 172 Quantenoptik-Kit Kapitel 12: Technische Hinweise Abbildung 165 Torzeit-Methode, Definition von Gated-Zählereignissen und Gated-Koinzidenzen Die Gleichungen für die Korrelationsfunktion zweiter Ordnung im GRA-Experiment lauten: (��) �� ∙ �� ( 0 ) = �� (��) (��) �� ∙ �� ...
Seite 173 Quantenoptik-Kit Kapitel 12: Technische Hinweise Abbildung 166 Vergleich der CC Definition der Dreifach-Koinzidenzen mit der Torzeit-Methode. Das Fenster, in dem die Ereignisse auf A und B liegen müssen, um als Koinzidenz gezählt zu werden, ist durch die grauen Rechtecke markiert. Der schwarze Balken in der oberen Zeile markiert das Gate-Fenster und der rote Balken das Time Tagger Koinzidenzfenster.
Seite 174 Kapitel 12: Technische Hinweise Abbildung 168 Aufbau mit Lichtschutzkasten Bitte wenden Sie sich an Techsupport@thorlabs.com, um eine Empfehlung für eine Teileliste und eine Bauanleitung für eine solche Box zu erhalten. BBO ist ein hygroskopischer Kristall, dessen Eigenschaften durch die Aufnahme von Wasser degradieren können.
Seite 175 Quantenoptik-Kit Kapitel 12: Technische Hinweise für die Klemmen zur Befestigung des Breadboards. Eine Messung mit den gleichen Parametern wie in Abbildung 169 aber mit der Einhausung ist in Abbildung 171 zu sehen und zeigt deutlich deren störungsunterdrückende Wirkung. Abbildung 170 Transparente Einhausung für das Michelson-Interferometer Beispielmessung mit Einhausung 10.0 10.5...
Seite 176 Quantenoptik-Kit Kapitel 12: Technische Hinweise Unter diesen Annahmen ist die Triggerzählrate �� = �� ∙ �� Hierbei ist �� die Rate der in Richtung der Detektoren emittierten Photonenpaare. Die Zählraten an den �� Detektoren A und B sind dann (aufgrund des Strahlteiler-Verhältnisses): ��...
Seite 177 Quantenoptik-Kit Kapitel 12: Technische Hinweise Fehlerbereich für T = 1 s Fehlerbereich für T = 10 s Abbildung 172 Erwartete Messergebnisse als Funktion der Triggerzählrate für ein konstantes Koinzidenzfenster von 10 ns Fehlerbereich für T = 1 s Fehlerbereich für T = 10 s Abbildung 173 Erwartete Messergebnisse als Funktion der Koinzidenzfensterbreite für eine konstante Triggerzählrate von 200 kHz Aus den Berechnungsergebnissen lassen sich die folgenden Schlussfolgerungen ziehen:...
Seite 178 Quantenoptik-Kit Kapitel 12: Technische Hinweise Letztendlich muss der Benutzer den Grad der Unsicherheit und der Abweichung vom idealen Ergebnis formulieren, den er zu akzeptieren bereit ist, und die Parameter entsprechend auswählen. Die in diesem Handbuch empfohlenen Standardwerte bieten ein gutes Gleichgewicht zwischen den konkurrierenden Zielen. Es ist wichtig zu beachten, dass die hier getroffenen Annahmen für sehr niedrige Trigger-Zählraten zusammenbrechen, da das Hintergrundsignal und die Dunkelzählungen in diesem Fall nicht mehr vernachlässigt ( 0 ) .
Seite 179 Quantenoptik-Kit Kapitel 12: Technische Hinweise Vorteil der QWP Eine QWP hat den Vorteil, dass sie nahezu frei von Absorption ist, so dass mit ihr höhere Zählraten im Experiment erreicht werden können. Nachteil der QWP Die Funktion der QWP ist sehr wellenlängensensitiv, und eine optimale Funktionalität ist nur bei genau der Design- Wellenlänge der QWP gewährleistet.
Seite 180 Verhältnisse von Photonen transmittiert/reflektiert werden. So kann das Zählratenverhältnis kontinuierlich variiert werden. Seien Sie vorsichtig, wenn Sie diese Anordnung für polarisationsempfindliche Experimente verwenden. Eine geeignete Wellenplatte (Artikel # WPH10ME-808) ist Teil des Kits und Thorlabs bietet andere geeignete Strahlteiler wie den CCM5-PBS202(/M) Strahlteiler an. 12.11 Bewegliches Michelson-Interferometer Für den Standardaufbau wird das Michelson-Interferometerboard auf dem Tisch in seiner endgültigen Position...
Seite 181 Quantenoptik-Kit Kapitel 12: Technische Hinweise möchten, das Interferometer in den Strahlengang hinein und aus ihm heraus zu bewegen, z.B., um zwischen der GRA-Konfiguration und dem Michelson-Experiment zu wechseln, gibt es eine weitere Möglichkeit, eine reproduzierbare Position für die Interferometer-Platine zu definieren, wie sie in Abbildung 176 gezeigt wird. Zusätzliche Klemmen und Schrauben sind nicht im Kit enthalten.
Seite 182 Quantenoptik-Kit Kapitel 12: Technische Hinweise • Der BBO-Kristall ist so ausgerichtet, dass seine optische Achse ebenfalls parallel zur Tischebene liegt. Die Markierung auf dem Gehäuse zeigt die Drehachse an, die zur Abstimmung der Phasenanpassung verwendet wird und senkrecht zum Tisch stehen sollte, siehe Abbildung 177. •...
Seite 183 Quantenoptik-Kit Kapitel 12: Technische Hinweise wellenlängen-sortiert ist. Daher kann die Wellenlänge überall im spezifizierten Fenster von 400 nm bis 410 nm liegen, was die Gefahr birgt, dass die via SPDC erzeugten Photonen eine Wellenlänge außerhalb des Fensters der Bandpassfilter aufweisen. Ein alternativer Ansatz, um Lasersicherheit der Klasse 2 oder tiefer zu erreichen, ist die Verwendung einer Einhausung mit Wänden, die für den Pumplaser nicht durchlässig sind und einem dichroitischen Spiegel als Ausgangsfenster direkt hinter dem BBO-Kristall.
Seite 184 Stellen Sie sicher, dass der Einbau der Laserdiode im LDM9T(/M) Diodenhalter genauso erfolgt wie in Abschnitt 7.1. In seltenen Fällen könnte die Laserdiode durchgebrannt sein. Wenn Sie alle oben genannten Punkte überprüft haben und der Pumplaser nicht funktioniert, wenden Sie sich bitte an Techsupport@thorlabs.com. 13.2 Probleme bei der Kollimation des Pumplasers Problem: Das Strahlprofil des Pumplasers sieht seltsam aus und/oder der Pumplaser weicht stark von der erwarteten Strahlachse ab.
Seite 185 Quantenoptik-Kit Kapitel 13: Fehlersuche • Vergewissern Sie sich, dass der Pumplaser eingeschaltet ist und dass der Laserstrom etwa 5 mA unter der Laserschwelle Ihrer Diode liegt (prüfen Sie das Datenblatt). • Stellen Sie sicher, dass alle Blendenöffnungen vor den Detektoren so weit wie möglich geöffnet sind. •...
Seite 186 Quantenoptik-Kit Kapitel 13: Fehlersuche • Prüfen Sie, ob die maximalen Zählraten der einzelnen Detektoren bei demselben Kristallneigungswinkel liegen. Wenn die Maxima bei deutlich unterschiedlichen Winkeln liegen, müssen Sie den Positionierungsprozess wiederholen (Abschnitte 7.4.3 und 7.4.4). 13.7 Die Messung nach dem Malus-Gesetz ist asymmetrisch Problem: Die Messungen für das Gesetz von Malus (Abschnitt 9.6) zeigen eine asymmetrische Signalrate.
Seite 187 Quantenoptik-Kit Kapitel 13: Fehlersuche Wenn Sie mit dem obigen Test eine Abweichung sehen, aber nicht, wenn Sie ihn über die Software verschieben: • Stellen Sie sicher, dass sowohl der Spannungseingang als auch der Strain Gauge Ausgang des Positioniertischs mit dem KPC101 Controller verbunden sind. •...
Seite 188 Quantenoptik-Kit Kapitel 14: Berechnungen zur Lasersicherheit Kapitel 14 Berechnungen zur Lasersicherheit 14.1 Laser System In diesem EDU-Kit verwenden wir die Laserdiode L405P20. Jede Einrichtung, die dieses Schulungskit verwendet, sollte über einen Laserschutzbeauftragten verfügen, um die Sicherheitsanforderungen zu bestimmen. Wir geben hier jedoch einen Ansatz zur Berechnung der Risikobewertung auf der Grundlage des in diesem Kit verwendeten Lasers.
Seite 189 Schutzbrille mit der Skalennummer D LB4 �� gemäß der Norm EN207:2017 erforderlich (siehe grünes Feld in Abbildung 180). Aus dem Thorlabs-Portfolio ist die LG3-Brille daher eine gute Wahl, da sie in dem relevanten Wellenlängenbereich ein Schutzniveau von D LB4 aufweist. Max. Leistungsdichte (E, W/m ) &...
Seite 190 Quantenoptik-Kit Kapitel 15: Danksagung Kapitel 15 Danksagung Die Entwicklung dieses Kits ruht auf den Schultern zahlloser Didaktiker auf der ganzen Welt, die sich der Herausforderung gestellt haben, Studierenden die Quantenoptik experimentell zu vermitteln. Wir sind dankbar für die zahlreichen Anregungen, die wir im Laufe der Jahre von vielen engagierten Menschen auf diesem Gebiet erhalten haben.
Seite 191 Thorlabs oder Ihrem Händler in Verbindung. Verantwortung für die Müllentsorgung Wenn Sie ein Produkt nach Ende seines Lebenszyklus nicht an Thorlabs zurückgeben, so übergeben Sie es einem Unternehmen, welches auf Müllentsorgung spezialisiert ist. Entsorgen Sie das Produkt nicht in einem Mülleimer oder auf einer öffentlichen Müllhalde.
Seite 192 Thorlabs, Inc. Thorlabs Ltd. sales@thorlabs.com sales.uk@thorlabs.com techsupport@thorlabs.com techsupport.uk@thorlabs.com Europe Scandinavia Thorlabs GmbH Thorlabs Sweden AB europe@thorlabs.com scandinavia@thorlabs.com France Brazil Thorlabs SAS Thorlabs Vendas de Fotônicos Ltda. sales.fr@thorlabs.com brasil@thorlabs.com Japan China Thorlabs Japan, Inc. Thorlabs China sales@thorlabs.jp chinasales@thorlabs.com Seite 184 MTN036012-D03...
Seite 194 www.thorlabs.com...

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