Uzaysal yapılandırılmış dolanık foton çiftlerinden faydalanarak klasik kırınım sınırları ötesinde dielektrik film karakterizasyonu

Abstract

Kuantum optiği, ışığın farklı kuantum durumlarını üretmeye, manipüle etmeye ve tespit etmeye odaklanan yeni fırsatlar, alternatif metodolojiler ve potansiyel olarak çığır açıcı teknolojiler sunar. Bu alan enstrümantasyon, ölçüm ve metrolojide keşif ve uygulama için yeni yollar açmaktadır. Buradan hareketle tezin temel amacı, klasik sınırların ötesinde bir optik fiber üzerindeki ultra-ince şeffaf dielektrik filmlerin kalınlık karakterizasyonuna dayalı yeni bir kuantum dolaşıklık tabanlı faz kırınım şeması önermektir. Ek olarak, önerilen sistemde çakışma tespiti ve optik tutarlılık önemli bir rol oynadığından, standart bir CCD kamera kullanarak mekansal olarak dağıtılmış yoğunluk verilerinden zaman aralığı bilgisini çıkararak termal ışık karakterizasyonu için pratik ve karmaşık olmayan bir ölçüm prosedürü de sunuyoruz. Yukarıda belirtilen amaçları gerçekleştirmek için öncelikle kuantum dolanıklığın ölçüm sistemleri üzerindeki etkisini, özellikle de doğası gereği daha iyi çözünürlük sunduğundan, optik mikroskopiyi inceledik. Daha sonra, uzaysal dolaşıklık kavramı, kavisli bir yüzey üzerinde dielektrik film karakterizasyonu için faz kırınım şeması ile entegre edilir. Termal fotonlarla alternatif bir konfigürasyon da gösterilmiştir. Sonuçlara göre, şeffaf dielektrik filmlerin kalınlığı, ilgilenilen dalga boyunun yirmide birinin altında doğrulukta tahmin edilebilmektedir. İkinci bölümde, termal ışık foton istatistiklerinin ve ikinci dereceden tutarlılık fonksiyonunun çıkarılması için geleneksel bir CCD kameranın tek piksel yoğunluk ölçümlerinden yararlanarak kavram kanıtı deney düzeneğini tanıttık. Böylece, kümelenmiş ışık olgusunun tutarlılık süresinin ötesinde kullanıma hazır dedektörlerle gözlemlenebileceğini kanıtladık. CCD kameranın kapsamlı bir fizibilite analizi de rapor edilmiştir. Son olarak, sonuçlar artıları ve eksileri ile değerlendirilerek gelecekteki çalışmalar için bir yol haritası çizilmiştir. N-katlı algılama şeması, pompa tutarlılığının karakterizasyon sistemi üzerindeki etkisi ve önerilen foton istatistik kurulumunun pratik mühendislik uygulamaları dahil olmak üzere umut verici perspektifleri kısaca açıkladık.

Quantum optics introduces new opportunities, alternative methodologies, and potentially groundbreaking technologies centered around generating, manipulating, and detecting distinct quantum states of light. This field opens up new avenues for exploration and application in instrumentation, measurement, and metrology. From this point of view, the main objective of the thesis is to propose a novel quantum entanglement-based phase diffraction scheme for the thickness characterization of ultra-thin transparent dielectric films on an optical fiber beyond classical limits. In addition, since coincidence detection and optical coherence have an essential role in the suggested system, we also present a practical and non-sophisticated measurement procedure for thermal light characterization by extracting time bin information from spatially distributed intensity data using a standard CCD camera. To accomplish the aforementioned purposes, we first examine the effect of entanglement on measurement systems, specifically optical microscopy, since it intrinsically offers better optical resolution. Then, the spatial entanglement concept is integrated with the phase diffraction scheme for dielectric film characterization on a curved surface. An alternative configuration with thermal photons is also demonstrated. According to the outcomes, the thickness of the transparent dielectric films can be accurately estimated below one-twentieth of the wavelength of interest. In the second part, we have introduced a proof-of-concept experimental setup by exploiting the single-pixel intensity measurements of a conventional CCD camera to extract thermal light photon statistics and second-order coherence function. In this way, we proved that the bunched light phenomenon can be observed with off-the-shelf detectors beyond coherence time. A comprehensive feasibility analysis of the CCD camera is also reported. Finally, the results are evaluated with pros and cons, drawing a road map for future works. We have briefly explained promising perspectives including the N-fold detection scheme, the influence of pump coherence on the characterization system and practical engineering applications of proposed photon statistics setup.