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Esperimento della doppia fenditura di Young con radiazione a vortice ondulato in un regime di conteggio dei fotoni

Gli esperimenti sono stati eseguiti sulla linea di luce ondulata BL1U dell'anello di accumulazione degli elettroni UVSOR-III23, operante in modalità a corrente ultrabassa (vedere “Metodi” per informazioni dettagliate). L'ondulatore è stato sintonizzato per produrre radiazione fondamentale polarizzata circolarmente con una lunghezza d'onda di 710 nm. La luce, insieme alla radiazione di seconda armonica a 355 nm, è stata estratta dalla linea di luce del vuoto attraverso una finestra di quarzo nell'atmosfera. Solo la luce da 355 nm, che subiva una significativa attenuazione attraverso lo strettissimo filtro passa banda, poteva passare attraverso una doppia fenditura posizionata orizzontalmente. La doppia fenditura è stata allineata in modo tale che l'asse ottico si intersecava con il centro e le frange di interferenza sono state inizialmente catturate utilizzando una fotocamera CCD (dispositivo ad accoppiamento di carica) standard. La Figura 1a mostra i risultati ottenuti durante un tempo di esposizione di 0,5 s, mentre la Figura 1b presenta una vista ingrandita della regione centrale con una tonalità di colore distinta. Nella figura sono ben evidenziate le frange derivanti dalla sovrapposizione delle doppie fenditure, oltre alla presenza di una singolarità caratterizzata da frange spaiate nella regione centrale scura. Questo risultato dimostra in modo conclusivo che i modelli di interferenza generati dalla radiazione polarizzata circolarmente dagli ondulatori a spirale mostrano le caratteristiche caratteristiche degli OV, come riportato in precedenza.18,21. L'oscurità e le interruzioni alle estremità derivano rispettivamente dalla singolarità di fase (intensità zero) e dalla differenza di fase risultante dalla struttura elicoidale del fronte d'onda. In termini di direzione dell'immagine catturata, con S-Asse allineato con la direzione orizzontale (cioè la direzione delle fessure) e -Asse allineato con la direzione verticale, frangia di interferenza generata lungo S-L'asse sullo schermo CCD può essere descritto dalla seguente equazione (vedere “Metodi” per maggiori dettagli).

$$\begin{array}{c}y=\frac{L\lambda }{d}\sinistra[m+\frac{l}{2\pi }\left\{{{\text{tan}}}^{-1}\left(\frac{x}{{y}_{1}}\right)-{{\text{tan}}}^{-1}\left(\frac{x}{{y}_{2}}\right)\right\}\right],\end{array}$$

(1)

Dove A è la distanza dalla doppia fenditura allo schermo della fotocamera, \(\lambda\) è la lunghezza d'onda, 1 E 2 Sono le distanze delle due fenditure dall'asse ottico (quindi la distanza tra le due fenditure è \({r}_{1} – {r}_{2}\)), E M E A Sono numeri interi. in particolar modo, A è la carica topologica degli OV. L'equazione presentata rivela che la frangia di interferenza di Young è generata a una distanza di leggo/d, sperimenta la distorsione vicino all'asse ottico dovuta alla differenza di fase derivante dal fronte d'onda elicoidale. Nella Figura 1, il margine di interferenza è stato calcolato integrando i parametri sperimentali e A= 1 per la seconda armonica è rappresentato come linee sottili. Sorprendentemente, i risultati delle misurazioni ottenuti concordano bene con le proprietà attese delle frange di interferenza quando c’è una singolarità di fase tra le due fenditure. Questo accordo supporta anche la validità dei risultati.

Figura 1

Le immagini di interferenza sono state acquisite utilizzando una doppia fenditura di Young con radiazione a vortice ondulato. (UN) La frangia di interferenza viene misurata da una telecamera CCD con un tempo di esposizione di 0,5 s. Le linee rosse indicano il margine calcolato utilizzando l'Eq. (1)(A= 1). (B) L'area centrale scura in (UN) sono ingranditi in diverse tonalità di colore per illustrare le evidenti rotture/distorsioni delle ciglia che ben si accordano con le curve nere ottenute utilizzando la stessa equazione.

Successivamente, abbiamo eseguito l'acquisizione di immagini utilizzando il rilevamento del conteggio dei fotoni utilizzando una fotocamera con dispositivo ad accoppiamento di carica del condensatore (ICCD), che può rilevare singoli fotoni allo stesso modo del sistema di rilevamento dei fotoni utilizzato negli esperimenti di interferenza di Young nel rif.22. La Figura 2a mostra una delle 5000 istantanee acquisite in totale, in cui la larghezza del gate dell'intensificatore di immagine (II) è stata impostata su 200 μs. Nella rappresentazione binaria della singola immagine, si osservano circa 130 fotoni come punti luminosi, ma non si nota alcuna regolarità nella loro distribuzione, e i fotoni sembrano sparsi in modo casuale. La Figura 2b mostra un'immagine integrata di cinque singoli scatti, in cui i punti sembrano ancora distribuiti in modo casuale. Tuttavia, quando l'integrazione aumenta fino a 100 fotogrammi, iniziano ad apparire i bordi di interferenza e nella Figura 2c diventano visibili bordi di interferenza chiari e interruzioni scure al centro. Dopo aver unito 5000 fotogrammi (Figura 2d), le frange di interferenza si sono completamente sviluppate, mostrando uno schema distinto. Il processo di accumulo delle frange di interferenza può essere osservato integrando le distribuzioni casuali dei fotoni nel film complementare. Il filmato cumulativo fornisce una dimostrazione visiva della formazione graduale delle frange di interferenza attraverso l'accumulo di singole inquadrature.

figura 2
figura 2

Immagini mediante rilevamento del conteggio dei fotoni dell'interferenza della doppia fenditura di Young con la radiazione del vortice ondulato. (UN) Una singola immagine catturata misurata con una fotocamera ICCD con un tempo di esposizione di 200 microsecondi. (BDott), immagini integrate di (B(5 colpi,)C(100 colpi e)Dott5000 colpi. Il margine di interferenza calcolato utilizzando l'Eq. (1) sono anche tracciate come linee rosse in (Dott) (A= 1). (H) Le rotture/distorsioni apparenti delle ciglia vengono misurate con il sistema di conteggio allargando la zona scura centrale in (Dott) in diversi colori. Questi concordano bene con le curve nere ottenute utilizzando la stessa equazione.

Per garantire che la misurazione venga eseguita in un regime a singolo fotone, vengono prese in considerazione diverse considerazioni. Il sincrotrone UVSOR genera impulsi di radiazione della durata di 100 ps con una frequenza di ripetizione di 90 MHz. Di conseguenza, un impulso luminoso di 0,1 ns arriva alle doppie fenditure ogni 11 ns, equivalente a un impulso luminoso di 30 mm di diametro ogni 3,3 m. Poiché la distanza tra le doppie fenditure e il fotocatodo della telecamera ICCD è di 1 m, nel sistema di monitoraggio si verifica un solo impulso luminoso alla volta. In questo esperimento, l’anello di accumulazione è stato fatto funzionare in una modalità di corrente ultra-bassa per generare impulsi luminosi molto deboli, che sono stati poi inviati attraverso un filtro passa-banda ultra-stretto per ottenere condizioni sperimentali che riducevano notevolmente il numero di fotoni. In media, sono stati rilevati 130 fotoni per immagine con una larghezza di gate di 200 μs utilizzando una fotocamera ICCD con gate (Hamamatsu C11370-10-1) con un'efficienza quantica di circa il 20%. Data questa efficienza, in media, viene rilevato un fotone ogni 28 impulsi di radiazione di sincrotrone (SR). Assumendo una distribuzione di Poisson per il numero di fotoni in un impulso di radiazione, la probabilità di trovare un fotone nell'impulso è 3,4 x 10-2Mentre la probabilità di trovare due o più fotoni è 6,2 x 10-4, che è molto meno. Inoltre, nell'esperimento è stato utilizzato un filtro passa banda ultra stretto (Alluxa 7057) per isolare e misurare solo la radiazione di seconda armonica a 355,00 nm, che mostra caratteristiche OV. Il filtro ha una larghezza massima a metà di 0,17 nm. Considerando la lunghezza di coerenza di un singolo fotone in condizioni di misurazione (0,74 mm), che è molto più corta della lunghezza dell'impulso ottico di 30 mm, si può concludere che l'interazione tra fotoni, derivanti da più fotoni all'interno di un singolo impulso di radiazione, è trascurabile. Pertanto, possiamo essere certi che le misurazioni sono state eseguite nel regime del singolo fotone.

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Nella Figura 2e viene fornita una vista ingrandita della parte centrale della frangia di interferenza di Young dell'OV misurata nel sistema di conteggio dei fotoni. È chiaro che ci sono evidenti rotture e squilibri negli arti. Linee sottili calcolate, basate su condizioni sperimentali utilizzando l'Eq. (1) Come mostrato nella Figura 1, concorda in modo eccellente con i risultati misurati e riproduce accuratamente le distorsioni delle frange di interferenza. Ciò fornisce una forte prova che l'accumulo di frange di interferenza mostrato nella Figura 2 (e nel filmato supplementare) è una conseguenza del fatto che anche un singolo fotone ha una caratteristica OV. Qui vorremmo menzionare il contrasto con un recente studio che ha osservato similmente l'accumulo di interferenze optoelettroniche utilizzando lo stesso ondulatore24. In questo studio, si osserva che i fotoni del vortice generati da un singolo ondulatore interferiscono spazialmente con le doppie fenditure. D'altra parte, in riferimento24una coppia di pacchetti di onde luminose generati da due lunghezze d'onda tandem ionizzano gli atomi di He e una coppia di pacchetti di onde fotoelettroniche interferiscono tra loro nel tempo, il che viene osservato come interferenza del campo energetico.

Per verificare ulteriormente le proprietà dell'OV, la misurazione è stata eseguita nelle stesse condizioni sperimentali ma con un'altezza diversa delle doppie fenditure, facendo sì che l'asse ottico (cioè la singolarità di fase dell'OV) fosse posizionato all'esterno delle doppie fenditure. L'immagine risultante ottenuta da 5000 fotogrammi è mostrata nella Figura 3a. In questa immagine non ci sono quasi rotture o distorsioni al centro delle ciglia interferenti e le ciglia mostrano un tipico motivo a nastro. Ciò corrisponde a una frangia di interferenza con una differenza di fase molto più piccola, come previsto quando la singolarità di fase dell'OV non si trova tra le doppie fenditure, simile ai risultati di un esperimento di interferenza utilizzando onde di livello ordinario. Inoltre, la natura della radiazione del vortice proveniente dall'ondulatore è stata confermata nel regime di conteggio dei fotoni rimuovendo completamente la doppia fenditura, come mostrato nella Figura 3 b. In questo caso, la distribuzione della densità risultante rivela una trave a forma di ciambella con una perdita del centro. Questa caratteristica è caratteristica della radiazione vorticosa, dove l'intensità al centro è zero a causa della presenza della singolarità di fase. Confrontando la distribuzione dell'intensità nella direzione trasversale con la Figura 2d, si può vedere che le regioni chiare e scure coincidono quasi nella stessa regione. Da ciò si può concludere che l'immagine di interferenza dell'OV mostra una distribuzione dell'intensità a forma di occhiali.

Figura 3
Figura 3

Immagini misurate con diverse condizioni sperimentali in un sistema di conteggio dei fotoni. (UN) Interferogramma integrato da 5000 fotogrammi con singolarità di fase OV all'esterno delle doppie fenditure. (B) Immagine a scatto singolo misurata con larghezza di gate II di 1 ms dopo la rimozione della doppia fessura.

Orsina Fiorentini
Orsina Fiorentini
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