CN115135987B 量子吸收分光系统以及量子吸收分光方法 （国立大学法人京都大学）

2022.08.12PCT/JP2020/0452442020.12.04WO2021/117632JA2021.06.17正文第2节.子光学系统(201)、光检测器(31)以及控制器包括通过抽运光的照射来产生信号光子与闲置光子的量子纠缠光子对的非线性光学晶体(23)和构成为能够使闲置光子的相位变化的移动反检测由非线性光学晶体(23)在试样配置于闲置光子的光路的状态下使闲置光子的相位变化的的量子干涉信号。控制器(4)通过量子干涉信号2非线性光学元件，通过所述抽运光的照射来产生信号光子与闲置光相位变换部，构成为能够使所述信号光子以及所述闲置光子在产生所述量子纠缠光子对的多个物理过程之间发生所述光检测器输出与在试样配置于所述闲置光子的光路的状态下由所述相位变换部使所述一方的光子的相位变化的情况下的所述信号光子的检测数相应的所述运算装置通过所述量子干涉信号的傅里叶变换来计算所述试样的吸收分光特性，所述运算装置除了通过所述试样配置于所述闲置光子的光路的状态下的所述量子干路的状态下的所述量子干涉信号的傅里叶变换来计所述运算装置通过对所述试样的复透射率频谱的绝对值进行平方，所述运算装置通过对在所述量子光学系统中既不对所述量子纠缠光子对进行波长扫所述非线性光学元件是啁啾型或者扇型的准相位匹所述非线性光学元件是包括非线性光学晶体的准相位匹所述准相位匹配元件构成为在多次产生所述量子纠缠光子对的情况光子的闲置光子群的波长分布于根据所述非线性光学晶体的材料和极化反转周期确定的所述非线性光学晶体的极化反转周期以使所述闲置光子群包括在0.4μm至5.2μm的波所述非线性光学晶体的极化反转周期以使所述闲置光子群包括在0.7μm至12μm的波段3所述非线性光学晶体的极化反转周期以使所述闲置光子群包括在1μm至18μm的波段内所述非线性光学晶体的极化反转周期以使所述闲置光子群包括在0.3μm至5.5μm的波所述非线性光学晶体的材料包含硒化锌，所述非线性光学晶体的极化反转周期以使所述闲置光子群包括在0.4μm至22μm的波段所述量子光学系统还包括全反射测定装置，该全反射测定装置构成所述控制装置构成为使所述第1移动反射镜以及第2移动反射镜中的一方的反射镜选所述相位变换部包括移动反射镜，该移动反射镜构成为能够沿着所所述非线性光学元件构成为产生紫外光频域的所述闲在构成为在产生信号光子与闲置光子的量子纠缠光子对的多个物理过程之间发生量通过由光检测器检测由相位变换部在试样配置于所述闲置光子的光路的状态下使所4通过所述量子干涉信号的傅里叶变换来计算所述试样的吸收分光特除了通过所述试样配置于所述闲置光子的光路的状态下的所述量子干涉信号的傅里5andLeonidKrivitsky,"Measurementofinfraredopticalconstantswithvisible[0008]非专利文献2：MasayukiOkano,HwanHongLim,RyoOkamoto,NorihikoNishizawa,SunaoKurimuraandShigekiTakeuchi,"0.54μmresolutiontwo-photoninterferencewithdispersioncancellationforquantumopticalcoherencetomography"(通过针对量子光学相干断层扫描的色散抵消的0.54μm分辨率双光子干涉),ScientificReportsvolume5,Articlenumbe缠光子对的分光系统或者分光方法(量子吸收分光系统或者量子吸收分光方法)中在宽的相位变换部使上述一方的光子的相位变化的情况下的信号光子的检测数相应的量子干涉6[0012](2)在某个实施方式中，运算装置也可以除了通过试样配置于闲置光子的光路的[0013](3)在某个实施方式中，运算装置也可以通过对试样的复透射率频谱的绝对值进[0014](4)在某个实施方式中，运算装置也可以通过对在量子光学系统中既不对量子纠缠光子对进行波长扫描也不对信号光子进行波长分解地获取到的量子干涉信号进行傅里[0015](5)在某个实施方式中，非线性光学元件也可以是啁啾型或者扇型的准相位匹配[0016](6)在其它实施方式中，非线性光学元件也可以是包括非线性光学晶体的准相位光子的闲置光子群的波长分布于根据非线性光学晶体的材料和极化反转周期确定的整个体的极化反转周期也可以以使闲置光子群包括在0.4μm至5.2μm的波段内具有互不相同的体的极化反转周期也可以以使闲置光子群包括在0.7μm至12μm的波段内具有互不相同的波学晶体的极化反转周期也可以以使闲置光子群包括在1μm至18μm的波段内具有互不相同的光学晶体的极化反转周期也可以以使闲置光子群包括在0.3μm至5.5μm的波段内具有互不光学晶体的极化反转周期也可以以使闲置光子群包括在0.4μm至22μm的波段内具有互不相7[0028](18)本公开的第2方面的量子吸收分光方法(QAS：QuantumAbsorption器检测由相位变换部在试样配置于闲置光子的光路的状态下使信号光子以及闲置光子中[0045]图16是示出通过图15所示的量子干涉信号的傅里叶变换而得到的傅里叶频谱的[0048]图19是示出通过图18所示的量子干涉信号的傅里叶变换而得到的傅里叶频谱的8[0051]图22是示出使用准相位匹配器件生成的量子纠缠光子对的频谱的仿真结果的一[0052]图23是示出在使用了具有图22所示的频谱的量子纠缠光子对的情况下得到的量[0053]图24是示出非线性光学晶体的每个材料的极化反转周期与闲置(idler)光的产生[0060]图31是示出通过图30所示的量子干涉信号的傅里叶变换而得到的傅里叶频谱的[0061]图32是示出关于作为红外吸收体的试样配置于闲置光路的状态而通过扫描闲置[0062]图33是示出在用于测定紫外光频域下的吸收分光特性的量子吸收分光系统中通过扫描闲置光路或者信号光路的仿真得到的量子干9[0069]在实施方式1(以及后述实施方式2～4)中，说明由本公开的量子吸收分光系统测开的量子吸收分光系统测定的波段并不限定光系统100构成为能够通过将量子纠缠光子对应用于红外吸收分光来测定试样的红外吸收[0073]量子光学系统201构成为在生成信号光子与闲置光子的量子纠缠光子对的多个物[0075]透镜211配置于激光源1与分色镜221之间。透镜211构成为对来自激光源1的抽运[0076]分色镜221配置于透镜211与非线性光学晶体23之间。分色镜221使包含信号光的非线性光学晶体23利用抽运光的自发参量下方转换(SPDC：SpontaneousParametric中红外光)。但是，非线性光学晶体23的种类并不被特别限定。也可以使用硫化镓银(AgGaS2)晶体等其它种类的非线性光学晶体。用图2说明使用了非线性光学晶体23的量子[0080]分色镜222配置于非线性光学晶体23与移动反射镜25之间且非线性光学晶体23与装置250使移动反射镜25的位置周期性地变化(使移动反射镜25往返运动)，能够扫描闲置222进一步反射而返回到非线性光学晶体23。闲置光通过非线性光学晶体23，但被分色镜可以代替移动反射镜25或者除此之外，还包括电光学调制器(EOM：Electro－Optic运光的反射光以及信号光的反射光再次透射分色镜222而返回到非线性光学晶体23。抽运理单元)等处理器41、ROM(ReadOnlyMemory，只读存储器)以及RAM(RandomAccess4是本公开的运算装置以及控制装置的一个例子。本公开的运算装置与控制装置也可以分量子吸收分光系统100的高灵敏度化以及低个可见光子(抽运光子)产生1个可见光子(信号光子)与1个红外光子(闲置光子)的量子纠细而言，在将表示第1物理过程的概率振幅与表示第2物理过程的概率振幅相加的情况下，果上述两个概率振幅是相反相位，则第1物理过程与第2物理过程相互抵消(量子干涉效[0100]在作为红外吸收体的试样未配置于闲置光路的情况下区分不出第1物理过程与第2物理过程，第1物理过程与第2物理过程发生量子干涉(在该例子中相互抵消)。在该情况物理过程与第2物理过程，第1物理过程与第2物理过程之间的量子干涉变得不完全。其结程之间发生量子干涉。[0106]图3是用于概略地说明由控制器4进行的运算处理的功能框图。控制器4包括光源[0107]光源控制部401控制激光源1的光输出(激光器功率)。由量子吸收分光系统100进[0108]反射镜控制部402控制移动反射镜25的移动(往返运动)。当移动反射镜25的位置100中，在试样配置于试样保持架24的状态和试样未配置于试样保持架24的状态这两方下0[0111]第1存储部405非易失性地存储试样配置于试样保持架24的状态下的傅里叶频谱))由透射率计算部407适当地读出。[0113]吸收频谱计算部408根据试样的复透射率频谱τ(ω)来计算试样的红外吸收频谱。吸收频谱计算部408将红外吸收频谱的计算结果输出到监[0114]监视器控制部409使基于控制器4的运算结果(率频谱τ(ω)以及红外吸收频谱)显示于监视器5。量子纠缠光子对的2次的事态(前述的第1以及第2物理过程)的状态矢量|Ψ>如下述式(1)频率，用ωi表示闲置频率。用F(ωs，ωi)表示二光子场振幅(two－photonfield[0126]在第1物理过程中产生的信号光的模式以与在第2物理过程中产生的信号光的模理过程中产生的闲置光的模式在空间上一致的方式被调整。如下述式(3)以及式(4)所示，z…(3)oaz…(4)[0130]在式(3)以及式(4)中，用t1表示直至在第1物理过程中生成的信号光再次到达非下在第1物理过程中生成的闲置光再次到达非线性光学晶体子对的第1以及第2物理过程间的量子干涉[0143]在非专利文献1所公开的实验装置中，分光器(单色仪)配置于雪崩光电二极管前级(参照专利文献1的图5A以及从第11行之下起第2段)。滤波器系统524除了去除不需要[0151]在式(9)中，第1项(2的常数项)表示信号光子计数率Ps的偏移分量。第2项(积分外，在式(11)所示的傅里叶积分中提供DC分量的常数的积分项和提供-ω分量的复共轭项出试样的复透射率τ的频率依赖性(即复透射率频谱τ(ω))。体23产生并在通过了量子光学系统201之后入射到光检测器31的所有的波段的信号光而生有试样的情况下的傅里叶频谱As(ω)与在闲置光路中未配置试样的情况的傅里叶频谱As0分光系统100所要求的性能(分辨率以及/或者稳定性)等适射镜25的驱动装置250以使移动反射镜25的往[0174]在S7中，控制器4通过对试样配置于闲置光路的状态下的信号光子计数率Ps(t0)试样的复透射率频谱τ(ω)。[0178]在S10中，控制器4控制监视器5以显示基于S1～S9的处理的试样的红外吸收分光[0181]另外，在实施方式1中，代替以往的红外光频域的光源以及红外光频域的光检测的量子吸收分光法(QAS)称为量子傅里叶变换红外分光法(Q－FTIR：QuantumFourier光系统100A在量子光学系统201的输出侧(透镜214)与光检测器31之间还具备分散光学元[0197]在实施方式2中说明使闲置光的波段变宽，从而实现更宽的波段下的红外吸收分[0198]图6是示出实施方式2的量子吸收分光系统的整体结构的图。量子吸收分光系统性光学晶体72的材料例如是还被记载为Mg：SLT的掺杂镁的定比钽酸锂(Mgdoped号光子以及闲置光子。非线性光学晶体72在第1端721与第2端722之间例如具有5个极化反适当地设计节段的分割数以及极化反转周期Λ,能够产生整个宽的波段的量子纠缠光子对[0201]非线性光学晶体72能够使用纳米加工极化技术来制造。[0202]长通滤波器73以及锐截止滤波器75分别将抽运光中的波长比特定的波长短的光设计极化反转周期Λ,从而能够产生在整个宽的波段的整个频域具有平坦的强度分布的闲学晶体23的试样保持架24配置于旋转工作台(未图示)上，每当测定信号光子计数率Ps时，使旋转工作台每次旋转预定的角度。通过旋转工作台的旋转使非线性光学晶体23的朝向[0209]图8是示出实施方式3的量子吸收分光系统的整体结构的图。量子吸收分光系统[0210]图9是示出实施方式3的变形例1的量子吸收分光系统的整体结构的图。量子吸收分光系统300A除了具备单像素型的光检测器32这点之外，在代替量子光学系统201而具备信号噪音比，还能够采用超导光子检测器(SSPD：SuperconductingSinglePhoton[0212]量子吸收分光系统300的光检测器32以外的结构与实施方式1的量子吸收分光系的量子吸收分光法的处理次序也与实施方式1中的量子吸收分光法的处理次序(参照图4)两个结构来进行说明。第1结构(参照上方)是将典型的非线性光学晶体23与多像素型的光检测器31之间配置分散光学元件6(参照图5)。第2结构(参照下方)是将QPM器件7与单像素[0215]相对于此，在第2结构中，由QPM器件7中的SPDC产生的信号光子不在空间上被分下方所示采用了宽频域化的QPM器件7的情分光系统300B除了具备单像素型的光检测器32这点之外，还在代替量子光学系统201而具25透射试样而返回到分色镜222的闲置光子从圆偏光变换为直[0225]图12是示出实施方式4的量子吸收分光系统的整体结构的图。量子吸收分光系统系统100(参照图1)不同。量子光学系统204在除了包括配置于闲置光路的移动反射镜25之外还包括配置于信号光路的移动反射镜28这点上与量子光学系统201不同。对移动反射镜[0226]控制器4构成为能够通过使移动反射镜25往返来扫描闲置光路，并且还能够通过取决于信号传播时间t1。信号传播时间t1是指直至由非线性光学晶体23生成的信号光被移动反射镜28反射而返回到非线性光学晶体[0240]式(14)是表示信号光子计数率Ps针对闲置传播时间t0以及信号传播时间t1的依赖ki0光路而得到的傅里叶频谱记载为Assig。扫描闲置光路的情况下的傅里叶频谱As闲置光子的频率域(红外光频域)的傅里叶频谱的振幅|Asidl(ωi0+Ω)|与二光子场振幅F(Ω)的平方和试样的红外光频域下的复透射率τ(ωi0+Ω)的平方之积成比例。光子的频率域的傅里叶频谱的振幅|Assig(ωs0+Ω)|与二光子场振幅F(-Ω)的平方和试样的红外光频域下的复透射率τ(ωi0-Ω)的平方之积成比例。而可以如下述的变形例那样产生量子吸收分光系[0266]图13是示出实施方式4的变形例的量子吸收分光系统的整体结构的图。量子吸收分光系统400A在代替量子光学系统204而具备量子光学系统205这点上，与实施方式4的量子吸收分光系统400(参照图12)不同。量子光学系统205在代替试样保持架24而包括ATR单元8这点及在闲置光路中代替移动反射镜25以及驱动装置250而包括固定反射镜29这点上，闲置光子在棱镜82与试样的界面全反射。此时，渗出到试样侧的闲置光子(渐逝波，[0269]在ATR中，需要以使闲置光入射到棱镜的一端且从棱镜的另一端向后级的反射镜过配置于闲置光路的移动反射镜25的往返来扫描闲置光路的情况下(参照图1)，与移动反[0271]相对于此，在实施方式4的变形例中，通过使配置于信号光路的移动反射镜28往[0275]以下，使用实施方式1～4(以及变形例)中的任意实施方说明对傅里叶频谱以及试样的吸收分光特性进行仿真或者[0277]在第1实施例中，说明通过对不将试样配置于闲置光路而获取到的量子干涉信号[0279]由非线性光学晶体23产生的信号光子的中心波长λs是816nm，闲置光子的中心波长λi是1530nm。通过该测定，确认了子计数率Ps的傅里叶变换得到适当的傅里叶[0281]在第2实施例中，说明通过实验确认量子干涉效应如何反映到信号光子频谱的结果。该测定使用实施方式1的变形例的量子吸收分光系统100A(参照图5)的系统结构来实[0283]在图17中示出了在非线性光学晶体23中产生量子纠缠光子对的两个过程(前述的第1以及第2物理过程)相互增强的建设性干涉下的信号光子频谱和两个过程相互抵消的破样的折射率的结果。该测定使用实施方式2的量子吸收分光系统200(参照图6)的系统结构石英玻璃的折射率的文献值是1.506(波长1550nm)。关于在闲置光路中配置有石英玻璃的[0288]图19是示出通过图18所示的量子干涉信号的傅里叶变换而得到的傅里叶频谱As、As0的图As0t()=Texp(i(o))的关系，将复透射率频谱τ(ω)分为透射率的绝对值T和两个傅里叶频谱间的相位差而图示。[0290]图20是示出通过石英玻璃的测定而得到的透射率的绝对值T以及相位差的图。能够利用量子吸收分光系统200高精度地计算复透射率频谱τ(ω)。[0293]在第4～第6实施例中，说明对整个宽的波段的红外吸收分光进行仿真的各种结线性光学晶体72的第1端721(入射端)朝向第2端722(出射端)的方向的位置(参照图7)。纵[0296]假定为非线性光学晶体72的极化反转构造的节段数足够多，在第1端721与第2端722之间非线性光学晶体72的空间频率(极化反转周期Λ的倒数)线性且连续地变化(啁于非线性光学晶体72的两端的下述两个相位匹配条件。第1相位匹配条件是指与在非线性光学晶体72的第1端721中产生波长900nm的信号光子和波长1300nm的闲置光子的SPDC有关的相位匹配条件。第2相位匹配条件是指与在非线性光学晶体72的第2端722中产生波长600nm的信号光子和波长4700nm的闲置光子的SPDC有关的相[0298]图22是示出使用QPM器件7生成的量子纠缠光子对的频谱的仿真结果的一个例子[0299]图23是示出在使用了具有图22所示的频谱的量子纠缠光子对的情况下得到的量[0304]作为非线性光学晶体72的材料的一个例子，举出铌酸锂(LiNbO3)而进行了说明，DLD164或者这些化合物的一部分的功能团置换为其它原子或原[0305]图24是示出非线性光学晶体72的每个材料的极化反转周期Λ与闲置光的产生波段之间的关系的图。横轴表示非线性光学晶体72的极化反转周期Λ,纵轴表示闲置光子的m的范围变化的方式设计，从而能够将闲置光子的波段调整为1μm～5μm的范围。在磷化镓[0308]在第5实施例中，说明使用QPM器件7产生整个宽的波段地分布的闲置光子的情况[0309]图26是示出求出整个宽的波段的复透射率频谱(作为绝对值的透射率T的频谱)的[0310]图27是示出根据图26所示的复透射率频谱求出试样的复折射率N的仿真结果的[0312]在第6实施例中说明整个宽的波段的复透射率的测定结果。作为试样，使用了在1550nm附近具有宽度12nm的透射带的带通滤波器(索拉姆(Thorlabs)公司制的FBH1550-有试样的情况下的闲置光路的扫描宽度ΔLidl设定为2000μm，将未配置试样的情况下的闲出配置有试样的情况下的量子干涉信号，在下方示出未配置试样的情况下的量子干涉信[0314]图29是示出根据图28所示的量子干涉信号求出试样的复透射率频谱(透射率T的(参照上述式(12))。在图29中为了比较还示出了使用了销售的以往型的分光器(岛津制作号得到的复透射率频谱与使用以往型的分光器得到的复透射率频方式4的量子吸收分光系统400(参照图12)轴表示闲置光路的扫描宽度(闲置光路长度的变化量)ΔLidl或者信号光路的扫描宽度(信(波数12346cm-1)的信号光子与波长1550nm(波数6451cm-1)的闲置光子的量子纠缠光子对。扫描闲置光路的情况下的量子干涉信号的振动周期(干涉条纹的间隔)相当于闲置光子的[0320]图31是示出通过图30所示的量子干涉信号的傅里叶变换而得到的傅里叶频谱的[0322]图32是示出关于作为红外吸收体的试样配置于闲置光路的状态而通过扫描闲置[0323]在该仿真中，设想通过波长532nm(波数18797cm-1)的抽运光的照射来生成波长810nm(波数12346cm-1)的信号光子与波长1550nm(波数6451cm-1)的闲置光子的量子纠缠光[0324]在扫描闲置光路的情况下的傅里叶频谱Asidl和扫描信号光路的情况下的傅里叶里叶频谱Asidl和傅里叶频谱Assig关于对称轴线对称(镜面对称)。该对称轴(用单点划线表[0326]在第8实施例中，说明用于测定紫外光频域下的吸收分光特性的结构。在该测定在量子吸收分光系统400中，产生可见光频域的信号光与红外光频域的闲置光的量子纠缠[0328]图33是示出在用于测定紫外光频域下的吸收分光特性的量子吸收分光系统中通过扫描闲置光路或者信号光路的仿真得到的量子干四光波混合的利用。详细而言，设想通过照射波长400nm的抽运光(激发用的两个抽运光子)，从而生成波长927nm(波数10788cm-1)的信号光子与波长255nm(波数392157cm-1)的闲[0330]闲置光路的扫描宽度ΔLidl的最大值以及信号光路的扫描宽度ΔLsig的最大值都示出了步进宽度是10nm的情况下的仿真结果，在右侧示出了步进宽度是125nm的情况下的布于包括中心波长的预定宽度的波段。要求将步进宽度Δ设定为比该波段的下限值的1/2[0335]图34是示出在扫描信号光路的情况下得到的傅里叶频谱的图。步进宽度设定为125nm。在扫描信号光路的情况下，确认了能够获取在适当的位置处具有波峰的傅里叶频