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Gesetz von Malus, Messung für einzelne Photonen

Info

Schematischer Aufbau des Malus-Experiments mit Einzelphotonen, Skizze von Thorlabs.
Schematischer Aufbau des Malus-Experiments mit Einzelphotonen, Skizze von Thorlabs.
Aufbau für das Malus-Experiment mit Einzelphotonen
Aufbau für das Malus-Experiment mit Einzelphotonen
Der Diodenlaser (405 nm) wird mit einem Pumplaserstrom von 32,5 mA betrieben.
Der Diodenlaser (405 nm) wird mit einem Pumplaserstrom von 32,5 mA betrieben.
Halbwellenplatte (u.r.), Spiegel (u.l.) und BBO-Kristall (o.l.). O.r. steht der Justagelaser (635 nm).
Halbwellenplatte (u.r.), Spiegel (u.l.) und BBO-Kristall (o.l.). O.r. steht der Justagelaser (635 nm).
Strahlteiler (u.r.), Polarisationsfilter (Mitte rechts), dahinter Einzelphotonendetektor B (o.r.), Einzelphotonendetektoren T und A (u.l.) sowie Time Tagger (o.l.).
Strahlteiler (u.r.), Polarisationsfilter (Mitte rechts), dahinter Einzelphotonendetektor B (o.r.), Einzelphotonendetektoren T und A (u.l.) sowie Time Tagger (o.l.).
Aufbau für das Malus-Experiment mit Einzelphotonen
Aufbau für das Malus-Experiment mit Einzelphotonen
Die obere Grafik zeigt die T&B-Koinzidenzzählraten als Funktion des Polarisatorwinkels. Die untere Grafik zeigt die g(2)(0)-Werte, die aus den Zählraten berechnet wurden, als Funktion des Polarisatorwinkels.
Die obere Grafik zeigt die T&B-Koinzidenzzählraten als Funktion des Polarisatorwinkels. Die untere Grafik zeigt die g(2)(0)-Werte, die aus den Zählraten berechnet wurden, als Funktion des Polarisatorwinkels.

Test der Polarisationseigenschaften von einzelnen Photonen.
Das GRA-Experiment O.H.4.2, bei dem in einem Beta-Bariumborat (BBO)-Kristall Typ I Photonenpaare erzeugt und von drei Einzelphotonendetektoren mit Time Tagger registriert werden, kann zur Messung des Malus-Gesetzes erweitert werden, indem man einen Polarisator zwischen den Strahlteiler und Detektor B stellt.
Im Malus-Tab der Thorlabs Software können mehrere Grangier-Roger-Aspect-artige Messungen für verschiedene Polarisatorwinkel durchgeführt werden und die Datenpunkte lassen sich hier auch sogleich in zwei Diagramme eintragen. Das Experiment zeigt, dass Einzelphotonen eine lineare Polarisation besitzen.

Vorbereitungsdauer: 7.0 Tage
Durchführungsdauer: 10 Minuten
Sicherheitszeichen:

Beschreibung

Hinweise zur Durchführung:
Bei der Arbeit mit dem Pumplaser ist immer die zur Wellenlänge passende Laserschutzbrille zu tragen.
Der Raum sollte verdunkelt werden. Eine kleine Taschenlampe hilft beim Einstellen des Winkels am Polarisationsfilter. Dieser Winkel muss am Computer ins Feld „Angle“ eingetragen werden.
Um die letzte abgeschlossene Messung in die Diagramme eintragen zu lassen, klickt man auf die Schaltfläche „Add Point“. Mit der Schaltfläche „Remove Last Point“ lässt sich der zuletzt hinzugefügte Datenpunkt wieder aus den Diagrammen entfernen.

Die Koinzidenzzählrate weist eine sin²-Abhängigkeit vom Winkel des Polarisators auf (Malus-Gesetz). Also zeigt die Wahrscheinlichkeit der Photonen, einen linearen Polarisator zu passieren, das gleiche Verhalten wie die Intensität einer klassischen elektromagnetischen Welle. Und die gleichzeitig gemessene Korrelationsfunktion zweiter Ordnung \(g^{2}_{GRA}(0)\) liegt immer deutlich unter 1, was zeigt, dass die Experimente im Einzelphotonen-Regime stattfinden. (Die höheren Werte bei 0°, 180° und 360° sind auf die extrem niedrigen Zählraten bei diesen Winkeln zurückzuführen, die das Rauschen und den Beitrag von unkorreliertem Streulicht zum Signal deutlich erhöhen.)

Hinweise zum Aufbau:
Der Polarisationsfilter sollte exakt parallel zum Detektor stehen, damit ein symmetrisches Signal gemessen wird. Dies lässt sich mit dem Justagelaser überprüfen: Die Reflexion vom Detektor sollte durch die Justierhilfe zurückgehen.
Sollte der Polarisationsfilter eine Strahlabweichung bewirken, die den Strahl aus dem aktiven Detektorbereich herausführt, muss das T&B-Koinzidenzsignal für das kleinere Maximum im Alignment-Tab optimiert werden. Dies erreicht man durch Drehen des Zoomgehäuses mit den beiden Justierschrauben.


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