Demonstration of broadband infrared quantum absorption spectroscopy with visible-infrared photon pair source in the mid-infrared region 2-5 µm

中红外区可见光-红外光子对源的宽带红外量子吸收光谱演示2-5

• 批准号: 20J23408
• 负责人: 荒畑 雅也
• 金额: $ 1.98万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J23408/
• 关键词: 量子赤外吸収分光; 可視-赤外域量子もつれ光子対; リッジ導波路型擬似位相整合素子; 量子干渉; 赤外量子吸収分光; 波長可変可視-赤外域量子もつれ光子対源; フーリエ変換

本年度では、リッジ導波路擬似位相整合(QPM)素子を用いた可視-赤外域量子もつれ光子対の高効率かつ広帯域発生と評価の研究を行った。量子赤外吸収分光測定において、もつれ光子対源の大光量化や広帯域化を行うことで、より高速で高感度な測定の実現が期待される。そこで本研究では、光の強い閉じ込め効果により、もつれ光子対の高い生成効率が期待されるリッジ導波路型QPM素子に着目した。また、素子の分極反転周期を変調(チャープ)することで、広帯域にもつれあった光子対を一度に生成することができる。本研究ではまず、ノンチャープリッジ導波路型QPM素子に対して、可視-赤外域量子もつれ光子対の発生と同時計数計測による評価を行った。その結果、得られた同時計数計測の値からデバイスでの単位パワーあたりの発生光子数は、ノンチャープバルク型QPM素子の600倍以上であることを確認した。また、次にチャープリッジ導波路型QPM素子に対して可視-赤外域量子もつれ光子対の発生と評価を行った。まず、可視光子のスペクトル観測結果から、中赤外2-5 μm域に対応する可視光子の超広帯域生成を確認した。また、発生した可視光子に対して単一光子検出を行い、チャープバルク型QPM素子に対して500倍以上の発生レートを確認した。さらに、発生した赤外光子に対してInSb赤外検出器によるロックイン検出を行い、赤外光子の広帯域発生を直接確認した。これらの結果からリッジ導波路型QPM素子を用いた可視-赤外域量子もつれ光子対の高効率かつ広帯域生成を実証した。本研究成果については、2022年9月にハイブリッド開催された国内学会の応用物理学会で口頭発表を行い、成果内容を論文にまとめて学術雑誌に投稿準備中である。

今年，我们使用脊波导准相位匹配（QPM）装置进行了可见光-红外区域量子纠缠光子对的高效宽带生成和评估研究。在量子红外吸收光谱中，预计通过增加光强度和加宽纠缠光子对源的带宽，可以实现更快、更灵敏的测量。因此，在本研究中，我们重点关注脊形波导型QPM器件，由于强光限制效应，该器件有望具有高纠缠光子对产生效率。此外，通过调制（啁啾）元件的极化反转周期，可以在宽带上一次生成纠缠光子对。在本研究中，我们首先通过在可见红外区域生成纠缠光子对并测量同时计数来评估非啁啾脊形波导 QPM 器件。结果，从获得的符合测量值证实，器件中每单位功率产生的光子数是非线性调频体QPM元件的600倍以上。接下来，我们为啁啾脊波导 QPM 器件生成并评估了可见红外区域的量子纠缠光子对。首先，根据可见光子光谱观测结果，我们确认了对应于中红外2-5μm区域的超宽带可见光子的产生。此外，对产生的可见光子进行单光子检测，确认其产生率是线性调频体QPM元件的500倍以上。此外，使用InSb红外探测器对产生的红外光子进行锁定检测，直接证实了红外光子的宽带产生。根据这些结果，我们展示了使用脊波导 QPM 器件在可见红外区域高效且宽带地生成纠缠光子对。这项研究的结果将在2022年9月举行的日本应用物理学会混合会议上进行口头报告，结果将总结成一篇论文，并正在准备提交给学术期刊。

项目成果

Quantum Fourier-Transform Infrared Spectroscopy for Complex Transmittance Measurements

用于复杂透射率测量的量子傅里叶变换红外光谱

• DOI: 10.1103/physrevapplied.15.034019
• 发表时间: 2021
• 影响因子: 4.6
• 作者: Mukai Y.;Arahata M.;Tashima T.;Okamoto R.;Takeuchi S.
• 通讯作者: Takeuchi S.

A wavelength variable visible-infrared photon pair source via spontaneous parametric downconversion in the mid-infrared region

通过中红外区域自发参量下转换实现波长可变可见红外光子对源

• 发表时间: 2021
• 作者: Masaya Arahata; Yu Mukai; Bo Cao; Toshiyuki Tashima; Ryo Okamoto;Shigeki Takeuchi
• 通讯作者: Shigeki Takeuchi

波長2-5 μm域における波長可変な広帯域赤外量子吸収分光測定の実証

2-5μm波长范围内波长可调宽带红外量子吸收光谱的演示

• 发表时间: 2021
• 作者: 荒畑 雅也; 向井 佑; 田嶌 俊之; 岡本 亮; 竹内 繁樹
• 通讯作者: 竹内 繁樹

Wavelength variable generation and detection of photon pairs in visible and mid-infrared regions via spontaneous parametric downconversion

通过自发参数下转换在可见光和中红外区域产生和检测光子对的波长可变

• DOI: 10.1364/josab.425550
• 发表时间: 2021-05-05
• 期刊: Journal of The Optical Society of America B-optical Physics
• 影响因子: 1.9
• 作者: Masaya Arahata;Y. Mukai;Bo Cao;T. Tashima;R. Okamoto;S. Takeuchi
• 通讯作者: S. Takeuchi

Wavelength-Tunable Quantum Absorption Spectroscopy in the Broadband Midinfrared Region

宽带中红外区域波长可调谐量子吸收光谱

• DOI: 10.1103/physrevapplied.18.034015
• 发表时间: 2022
• 影响因子: 4.6
• 作者: Arahata Masaya;Mukai Yu;Tashima Toshiyuki;Okamoto Ryo;Takeuchi Shigeki
• 通讯作者: Takeuchi Shigeki