[论文解读] Electro-optic Fourier transform chronometry of pulsed quantum light

Ali Golestani, Alex O. C. Davis+4 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2022

Laser-Matter Interactions and Applications被引用 5

一句话总结

本文提出傅里叶变换时间测频技术，一种线性、非选择性的方法，通过在马赫-曾德尔干涉仪中利用可调谐电光频谱剪切，测量超短光学脉冲（包括单光子脉冲）的时间能量包络。该方法通过在频谱剪切域中对干涉条纹进行傅里叶变换，实现高精度脉冲宽度测量，结果与独立测量值的偏差在3%以内，并展示了在低光强和特殊波长区域的应用潜力。

ABSTRACT

The power spectrum of an optical field can be acquired without a spectrally resolving detector by means of Fourier-transform spectrometry, based on measuring the temporal autocorrelation of the optical field. Analogously, we here perform temporal envelope measurements of ultrashort optical pulses without time resolved detection. We introduce the technique of Fourier transform chronometry, where the temporal envelope is acquired by measuring the frequency autocorrelation of the optical field in a linear interferometer. We apply our technique, which is the time-frequency conjugate measurement to Fourier-transform spectrometry, to experimentally measure the pulse envelope of classical and single photon light pulses.

研究动机与目标

• 开发一种用于测量超短光学脉冲时间能量包络的线性、非选择性方法。
• 实现在低光强区域的脉冲表征，特别是传统强度自相关法失效的单光子脉冲区域。
• 通过仅聚焦于强度包络，提供一种资源效率更高的全量子态层析技术替代方案。
• 实现中心波长无关性，并具备固有的抗光子噪声能力，从而提升在量子光学应用中的性能。

提出的方法

• 该方法采用平衡马赫-曾德尔干涉仪，通过线性相位调制在一条光路中施加可调谐电光频谱剪切。
• 扫描频谱剪切Ω，并测量作为Ω函数的输出能量E(Ω)，生成干涉条纹。
• 对E(Ω)关于Ω进行傅里叶变换，得到时间强度分布I₀(t)，通过FΩ{E(Ω)}(T) = E₀δ(T) + ½I₀(T−t₀) + ½I₀(−T+t₀) 恢复脉冲包络。
• 该技术依赖于线性电光相位调制，避免了如二次谐波生成等非线性过程。
• 采用非分辨桶探测对单光子进行探测，使其兼容任意光子统计特性和低强度光场。
• 该方法是傅里叶变换光谱学的时间-频率对偶形式，交换了时间与频率的角色。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不依赖非线性光学过程或光谱分辨探测的前提下，测量超短单光子脉冲的时间能量包络？
• RQ2 与传统方法相比，傅里叶变换时间测频技术在重建脉冲宽度方面的精度如何？
• RQ3 该方法在测量链路中面对频谱展宽和色散效应时，其鲁棒性如何？
• RQ4 该技术是否可应用于非传统中心波长（如中红外或太赫兹波段）的脉冲，且性能不下降？
• RQ5 该方法是否本质上不受光子噪声影响，适合用于量子信息应用？

主要发现

• 测量得到的光学脉冲时间宽度与独立测量值的偏差在3%以内，差异归因于频谱剪切引起的频谱展宽。
• 当调节脉冲带宽并引入色散时，该方法与理论预测表现出极佳的一致性。
• 该技术具有中心波长无关性，并且本质上不受光子噪声影响，适用于低光强和量子应用。
• 在频谱剪切域中测量到的干涉条纹成功通过傅里叶变换重建出时间强度包络，保真度高。
• 该方法仅使用非分辨桶探测器即可实现脉冲表征，与全量子态层析技术相比，显著降低了资源需求。
• 通过使用薄膜铌酸锂电光调制器，该方法可扩展至超宽带和特殊波长脉冲。