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Détection de photons uniques par génération de somme de fréquences.

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Moreau, Nicolas (2019). Détection de photons uniques par génération de somme de fréquences. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de l'énergie et des matériaux, 91 p.

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Résumé

Certains phenomenes en electrodynamique quantique sont tres difficile a etudier en laboratoire etant donne que l’amplitude des champs electriques necessaires pour leur observation sont a la limite de ce que les meilleurs lasers peuvent atteindre. Le laser terawatt du laboratoire ALLS a l’INRSEMT est l’un des rares lasers pouvant atteindre les amplitudes de champ electrique necessaires a induire une polarisation du vide. Notre groupe de recherche est en train de mettre en place une experience avec ce laser dans laquelle nous utiliserons la polarisation du vide comme milieu non-lineaire afin d’observer l’interaction de couplage photon-photon via le processus de melange a quatre ondes. Nos calculs theoriques predisent que les photons produits par melange a quatre ondes dans notre configuration experimentale seront emis dans un spectre plus large que celui du laser terawatt. La detection des photons se fera donc dans l’une de deux bandes de detection, denommees bande rouge et bande bleue, chacune contenant de l’ordre de 10⁻⁵ photons par impulsion laser. Ces photons doivent etre discrimines parmi plus de 10¹⁹ photons composant chaque impulsion laser. Pour discriminer les photons signal de tous les autres photons, nous avons concu un systeme de detection se basant sur la generation de somme de frequences, un processus non-lineaire du deuxieme ordre, qui permet d’isoler les photons du bruit laser dans l’une des deux bandes de detection a l’aide d’une porte temporelle, spatiale, spectrale et sensible en polarisation. L’efficacite de detection du systeme est caracterisee avec un montage test operant a plus petite echelle permettant de faciliter la prise de mesure experimentale. Le niveau de bruit intrinseque au systeme de detection est evalue et compare dans les deux bandes de detection et des strategies pour le reduire sont proposees. Les resultats demontrent que le systeme de detection est plus performant dans la bande de detection bleue que dans la bande rouge. Les sources de bruit dominantes sont causees par l’emission Raman spontanee et la fluorescence parametrique de la pompe. Les methodes proposees pour reduire ces sources de bruit davantage et ameliorer l’efficacite de detection devraient permettre d’atteindre les criteres de performance requis pour la detection de photons produits par melange a quatre ondes dans le vide. Ce projet etablit un premier systeme de detection qui est adapte aux difficultes liees a la detection de photons uniques dans le proche-infrarouge.

Abstract

Certain quantum electrodynamics phenomena are extremely difficult to study in a laboratory setting because the required electric field amplitudes are at the upper limit of what current highpower lasers can achieve. The terawatt laser system at the ALLS laboratory of INRS-EMT is one of the few lasers which can achieve electric field amplitudes required to induce vacuum polarization. Our research group is currently preparing an experiment with this laser in which we will use the vacuum polarization as a nonlinear medium to observe photon-photon scattering via four-wavemixing. Our theoretical calculations predict the four-wave-mixing photons emitted in our experimental setup will have a larger spectrum than the terawatt laser’s spectrum. As such, the detection of these photons will take place in one of two detection bands, dubbed Red Band and Blue Band, each containing roughly 10⁻⁵ photons per pulse. The photons must be isolated from the pump laser containing over 10¹⁹ photons per pulse. In order to isolate the signal photons from the strong pump laser, we have designed a frequency upconversion detection system based on sum-frequency generation. Sum-frequency generation is a second-order nonlinear process which can selectively upconvert photons of one of the two detection bands through an all-optical temporal gate, spatial gate and spectral gate with polarization dependence. Characterisation of the system detection efficiency is done with a test bench operating with a low-power multi-kHz laser system which can produce a similar four-wave mixing spectrum. The intrinsic noise level of the detection system is measured for both detection bands and strategies to reduce the noise level further are discussed. Results show the detection system performs better in the Blue Band than in the Red Band. Intrinsic noise is caused by cascaded processes involving spontaneous Raman scattering and parametric fluorescence of the pump beam. Additionally, by applying the methods discussed for further improvement, the detection system should achieve the performance requirements to successfully detect single photons resulting from four-wave-mixing in vacuum. This project establishes the first frequency upconversion detection system adapted to the difficulties of single-photon detection in the near-IR spectrum.

Type de document: Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Kieffer, Jean-Claude
Co-directeurs de mémoire/thèse: MacLean, Steve
Mots-clés libres: laser haute puissance; laser ultrarapide; metrologie ultrarapide; couplage photonphoton; optique non-lineaire; auto-correlateur; detection de photon unique; informatique quantique; high-power laser; ultrafast laser; ultrafast metrology; photon-photon scattering; nonlinear optics; auto-correlator; single-photon detection; quantum computing
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 03 juin 2020 14:56
Dernière modification: 12 juin 2020 20:34
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/10323

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