用CCD测量光场高阶相干度

封面故事|曹晋凯,杨鹏飞,田亚莉,毋伟,张鹏飞,李刚,张天. 基于增强型CCD的光场高阶相干度的测量[J].光学学报,2019,39(07):0712008.

光场的高阶关联特性是揭示光的统计行为的重要特征,通过光子关联对光场的各种经典和非经典性质进行探索,有助于我们深刻理解不同光场量子态的高阶相干性,如Arecchi等对相干光及热光场光子统计分布进行了测量,获得了它们的相干特性。

若采用传统的HBT实验模型测量多光子高阶关联,受限于单光子探测器和分束器的数量,系统比较复杂。近年来随着CCD技术的发展,高效、高灵敏(单光子响应)和快速响应的CCD被应用到量子光学领域,用于测量光场的量子统计性质。

山西大学光电研究所张天才教授与李刚教授带领的课题组提出了一种利用ICCD测量光场的高阶相干度的方法。

首先将待测光束扩束成均匀的光斑投射到ICCD上,仅考虑自关联的情况,即延迟时且将ICCD的不同像素点看成不同的空间点,空间位置X=0(对应成像平面)时的情况。假定ICCD有M(行)×K(列)个像素点,每个像素点看作一个微小的探测器,且每个像素点读出的光子计数大小与输入的光强呈线性关系。最后,对这N=M×K个微小探测器的n阶相干度进行运算。

如图1,可以看出,当计数率为5.12×10^5kc/s 时,随着曝光时间的改变,相干光场和赝热光场的二阶相干度和三阶相干度值大致经历了三个过程:

1. 曝光时间较小时,两种光场的二阶相干度、三阶相干度测量值自身偏差较大,且远大于理论值。

2.中等长度的曝光时间,这个时间大约是300ns-600ns。在这个时间范围内,实验测量到曝光时间为600ns时,。并且得到此时赝热光场的理论值,,(如图(a)(b)中用蓝色五角星标出)。在该范围内实验结果与理论估算之间的偏差不到10.18%。

3. 随着曝光时间继续增加,相干光场和赝热光场的相干度值逐渐趋于1,这是由于曝光时间远大于赝热光的相干时间导致的,赝热光场此时可以近似看作一种平稳光场,相干度值会趋近于1,这种现象与我们之前用单光子探测器(SPCM)探测相干光场和赝热光场的趋势大致相同。


图1 赝热光场和相干光场的高阶相干度。(a)计数率为5.12×10^5kc/s时,g(2)随曝光时间的变化关系;(b)计数率为5.12×10^5kc/s时,g(3)随曝光时间的变化关系;(c)计数率为5.12×10^5kc/s,曝光时间为600 ns时,g(n)随对应阶数的变化关系。(图中虚线为赝热光场的理论值,实线为相干光场的理论值。)

从图(c)中,我们看到随着阶数增加,高阶相干度值自身的偏差逐渐增大且与其对应的理论值偏差也在增大,因此用此方法来测高阶相干度值,测量阶数受到一定限制,但在四阶以下还是可行的,其赝热光场的自身偏差小于12.6%,测量值与理论值偏差小于10.5%。这是由于随着阶数增加,相干度的理论值快速增大,而且对光子数测量变得越来越敏感,自身偏差相应地增大。

利用ICCD测量了相干光场和赝热光场的高阶相干度,通过改变曝光时间和计数率,研究了光场的一阶到四阶相干度值随实验条件改变的影响。发现,当计数率为5.12×10^5kc/s,选择600ns的曝光时间,可以较好地反映入射相干光场和赝热光场的一阶到四阶相干度。

在该研究中,ICCD还不能快速完成时间间隔很近的两幅可控曝光时间的图像的采集。因此只能实现自相关高阶关联信息的提取。该方案是一个初步尝试,进一步扩展到不同时空点的高阶关联,需要在CCD的选取以及参数优化方面做更多的研究。