Physik-LK · Skript 5 · Quantenphysik
Koinzidenzmethode am Strahlteiler
Ein Kristall wandelt gelegentlich ein Photon des Pumplasers in zwei Photonen um, die im selben Augenblick entstehen. Photon 1 meldet sich am Trigger-Detektor DT. Photon 2 trifft auf den Strahlteiler ST und wird von D1 oder D2 registriert. Der Koinzidenzzähler wertet nur Ereignisse, bei denen Detektoren innerhalb des Zeitfensters Δt = 5,0 ns gemeinsam ansprechen. Teilt sich ein Photon am Strahlteiler, oder geht es als Ganzes zu einem der beiden Detektoren? Zum Vergleich: ein abgeschwächter, gepulster Laser.
So gehst du vor
- 1Wähle die Photonenpaarquelle und starte mit eingeschalteter Zeitlupe. Beobachte, welche Detektoren gemeinsam ansprechen.
- 2Schalte die Zeitlupe aus, wähle die Messzeit und starte eine Messung (Zeitraffer: 10 s Messzeit je Sekunde).
- 3Übernimm das Ergebnis ins Protokoll. Wiederhole mit dem abgeschwächten Laser bei gleicher Zählrate der Detektoren.
- 4Miss bei der Paarquelle die Dreifachkoinzidenzen für mehrere Zählraten RT und trage sie in die Messreihe ein.
- 5Werte selbst aus, vergleiche dann mit „Auswertung zeigen“.
Messzeit t
0,0 s
Trigger-Signale
0
Koinzidenzen mit D₁
0
Koinzidenzen mit D₂
0
Dreifachkoinzidenzen
0
D₁ einzeln (alle)
0
Koinzidenzen mit D₁: Trigger-Signal und Signal von D₁ im selben Zeitfenster. Beim Laser öffnet jeder Laserpuls ein Zeitfenster. „D₁ einzeln“ zählt alle Impulse von D₁, auch Streulicht und Rauschen außerhalb der Zeitfenster.
Quelle
Zählrate RT am Trigger-Detektor (Pumpleistung)
8 · 104 s⁻¹Messzeit
Modell: Photon 2 wird mit 10 % Wahrscheinlichkeit nachgewiesen, der Strahlteiler lässt 51 % durch. Weitere Paare fallen zufällig ins selbe Zeitfenster (im Mittel RT · Δt Paare), dazu Streulicht und Dunkelimpulse (300 je Sekunde und Detektor).
Protokoll
| Nr. | Quelle | t in s | NT | NT1 | NT2 | NT12 |
|---|
Zufällige Dreifachkoinzidenzen: NT12 je Minute über RT
Nur mit der Paarquelle und nach einer vollständigen Messung. Lange Messzeiten (100 s oder 300 s) streuen weniger.
| Nr. | RT in 104 s⁻¹ | Dreifachkoinzidenzen je Minute |
|---|
Aufträge
- Paarquelle in Zeitlupe: Sprechen D1 und D2 je gemeinsam an? Wie oft spricht nach einem Signal von DT überhaupt einer der beiden an?
- Erkläre, warum nur Ereignisse gezählt werden, die mit einem Signal von DT zusammenfallen. Vergleiche dazu „D₁ einzeln“ mit NT1.
- Miss 60 s lang bei RT = 8,0 · 104 s⁻¹. Berechne, welcher Anteil der angekündigten Photonen registriert wird und welchen Anteil der Strahlteiler durchlässt.
- Berechne, wie viele Dreifachkoinzidenzen zu erwarten wären, wenn Licht eine klassische Welle wäre, und wie viele allein durch zufällig überlappende Paare entstehen. Vergleiche mit deiner Messung.
- Stelle den Laser so ein, dass NT1 und NT2 etwa so groß sind wie bei der Paarquelle (μ ≈ 1). Vergleiche die Dreifachkoinzidenzen. Warum ist der abgeschwächte Laser keine Einzelphotonenquelle, auch wenn im Mittel nur ein Photon je Puls kommt?
- Nimm die Messreihe für RT zwischen 5 und 40 · 104 s⁻¹ auf. Begründe, warum die zufälligen Dreifachkoinzidenzen mit RT² wachsen, und bestimme daraus das Zeitfenster Δt.
Theorie: Quanten-Skript, Kapitel „Quantenobjekte am Doppelspalt“, Abschnitt „Sind es wirklich einzelne Photonen? Die Koinzidenzmethode“.