apmayfes2010 @ ウィキ

量子


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活動記録

wikiを放置気味だったのでちゃんと活動記録をつけるようにします。
4/12
ノイズ低減

時間スケールで見ていて気になるのは40kHzの周期ノイズとパルス状のノイズです。
レーザー発振によるノイズはパルス状の40kHz(間隔が1/40kHz=25us)のノイズでレーザーを遠ざけたりレーザー自身をアルミホイルで覆ったりしましたがあまり変りませんでした。
振幅5mV、40kHzの周期ノイズがのるのが観察され、これはプローブに何も入力しなくてもありました。アルミホイルでプローブを巻いてみたところ40kHzの周期ノイズが消えたことから外来のノイズであることがわかりました。ただ回路の出力部での40kHzの周期ノイズはプローブにアルミホイルを巻いたり、コードを金属の箱に入れたりしてもあまり変らなかったのでもっと別のところでのっている可能性はあります。
低減できないようであれば40kHz以上をカットするのがいいのかもしれません。
次回はとりあえずゲインを上げてみてショットノイズを見えるようにすることを目指します。


4/9
スリットホルダーの切断、回路の調整、実際に測定

工作室でスリットホルダーの柄を切断して高さを低くしました。フォトダイオードをつけた基板はガムテープでホルダーに固定。
オペアンプAD829が届いたので、フォロワに入れました。オフセット調整も大丈夫です。(初段のオペアンプ回路はI-V変換回路なのでオフセット調整で入力をコモンに落とすときには100Ω抵抗をはさむと出力が飽和しない)
実際に測定した結果から言うと元々のノイズが大きすぎてショットノイズが隠れていました。
まず片側のフォトダイオードにだけPBSを通過して強度50%になった光が入射した際の直流成分ですがフォトダイオード用の±35V電源の電圧を0Vから35Vまで上げていくと出力電圧は増えました。最終的に35Vで出力は1.8Vくらいになりました。4/7にフォトダイオードからの出力電流を測定した際には逆バイアス電圧を0Vから100Vまで変化させても1.7~1.8mA(PBSを通さずに入射した場合)で固定でしたがI-V変換して増幅すると変わるようです。出力が大きくなる理由はわかっていませんが、フォトダイオードの結合容量がフィードバックに効いてくることがあるらしいので関係があるかもしれません。理論的には1.7mAの50%で0.85mAの電流が流れたと考えるとI-V変換で2200倍されて1.87Vとなり逆バイアス35Vで観察された1.8Vは正しい値になっていると考えられます。検出回路につないだ場合のフォトダイオードの電流を直接測定していないので一応そこも測っておきたいです。
両方に入射した場合ですがλ/2波長板を調整することで観察している出力電圧のオフセットを0Vにできました。これでそれぞれのフォトダイオードで同じだけの光電流が出ていることになります。肝心のノイズは振幅5mVのホワイトノイズで光を入射するときとしないときで変化がないのでショットノイズは周りのノイズに隠れてしまっていると考えられます。デジタルオシロスコープ(帯域100MHz、サンプリングレート1GS/s)でFFTして観察すると2.5MHzまでは平坦、2.5MHzに小さいピーク、7.5MHzに大きいピーク、7.5MHz以降はノイズレベルが下がっていました。またシャッターを閉じていてもレーザーが発振するとノイズレベルが10dBほど上がるのが観察されました。レーザーの電源をいれても反応はありませんがレーザーが発振するとノイズレベルが上がります。これに関しても原因を調べて解決する必要がありそうです。
次回はI-V変換回路の抵抗値を上げて変換の倍率を大きくするということをやります。
問題は片側のフォトダイオードにのみ入力した場合直流成分が1.8Vある出力を例えば10倍にするとオペアンプが15V電源駆動なので飽和してしまうことです。これを見るにはハイパスフィルタを上手く挟んで直流成分を除く工夫をしなければいけません。
これまで1ヶ月、Yariv勉強会に始まり、回路の設計、製作、調整と苦労してきましたが、いよいよラスボスです。こいつを倒せばクリアです。


4/7
レーザー光の撮影、キャッチコピー、フォトダイオードの感度の測定

音班が使う予定の水槽を借りてきて、水槽の中にレーザー以外の光学系を入れて線香で煙を焚いてレーザー光を撮影しました。
2本使うとちょっとレーザー光の散乱が強すぎて写真をうまく撮れなかったので1本で十分なくらいです。煙で光学系が見えなくなるということはありませんでした。蛍光灯を消さないとビームラインが少し薄くて、カーテンを開けないと暗すぎて光学系が見えないので、蛍光灯を消してカーテンを開けて自然光が入り込むくらいがベストでした。実際の展示の際にも線香で煙を焚いてビームラインを見たいので水槽を購入するのが簡単でいいと思います。ただ問題点は水槽の底が厚くて下に敷いている鉄板に光学系のマグネットがくっつかないことです。逆さにかぶせると光学系の調整が上からできないので枠だけで上下ともあいているのがベストです。また当日借りる部屋も暗室にする必要はありませんがビームラインを見るには蛍光灯を消せるほうがいいと思います。



撮影したのは上の写真で左上のものをビラ用に使います。

キャッチコピーは2008年のものを参考にして短くまとめました。
タイトル:
量子光学
本文:
光って波?粒?
レーザーを使って実験!

フォトダイオードの感度はレーザー10mWで1.7~1.8mAくらいでした(理想的には3.3mAくらい)。蛍光灯の影響は殆どないです。2つのフォトダイオードで若干違いがありましたがPBSを使っているのでλ/2波長板で偏光を調整すれば透過:反射が最大で8:2まで偏って出力できるのでそこを調整して差を取った時のオフセットを0にするようにすればいいと思います。
逆バイアスは指定の100Vまで変化させてかけましたが0Vからほとんど出力の変化がなく一定だったので(逆バイアスをかけて行くと電流値は一定値に漸近)35V電源で問題ないと思います。フォトダイオードをつけてある基板を固定するためにスリットホルダーを使いますが、片方は支柱の長さが長すぎるので次回工作室で切断します。次回はオペアンプを受け取って検出回路で実際にショットノイズを測定します。

企画の目的

光の粒としての性質を見る

企画内容

バランス型ホモダイン測定によるショット雑音の測定

目的
光の粒子としての性質を見る

実験内容
HBSで分けたレーザー光をそれぞれフォトダイオードで検出して差を取るという実験で、古典的な波と考えるとHBSで半分ずつの強度に分解されるので差は0だけれども、光子と考えるといつ飛んでくるかは決まっていないので差は0にならず、ショット雑音というゆらぎが見えるという実験です。検出器は自作します。

サブポアソン分布に関する実験 (追加実験)

目的
半古典的モデルでは説明の付かない実験を紹介する

実験内容
バランス型ホモダイン測定の実験は光を古典的な波、検出器を量子力学に従って振舞うものと考える半古典的なモデルでも説明ができてしまいます。半古典的モデルでは説明の付かない例が次のサブポアソン分布に関する実験です。
十分に大きい抵抗を電圧源と直列に入れて低雑音化された電流をLEDに注入し、これをフォトダイオードで検出すると半古典論で予想される最小のゆらぎ(量子限界)=ショット雑音を下回るゆらぎを検出することができます。

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