Diseño y Ensamblaje Opto-mecánico

Diseño y ensamblaje opto-mecánico

Francisco Jose Torcal-Milla & Eusebio Bernabeu 
Optics Department, Universidad Complutense de Madrid, España
Laura Peñate & Demetrio Lopez
 Alter Technology TÜV NORD, Madrid, España
 Fabian Steinlechner & Valerio Pruneri 
ICFO-Institut de Ciencies Fotoniques Barcelona, Spain/  ICREA-Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats Barcelona, España

Introducción

Los pares de fotones enredados son un recurso clave para una serie de aplicaciones de la física cuántica, como la teleportación cuántica [1] y la criptografía cuántica [2]. Un paso vital hacia la implementación a escala global de tales aplicaciones a través de enlaces de tierra a satélite e entre satélites es el desarrollo de fuentes robustas de fotones entrelazados (EPS) a prueba de espacio. En una descripción simple, los fotones entrelazados se pueden considerar como un par de partículas que están íntimamente correlacionadas. De hecho, son parte del mismo estado cuántico: cualquier medición en uno de ellos afecta el estado del otro. Los pares de fotones se pueden enredar en varios grados de libertad (por ejemplo, tiempo, energía, momento, polarización), por lo que la polarización es la más establecida para aplicaciones en óptica de espacio libre. En este caso, ambos fotones están anti-correlacionados en sus polarizaciones, es decir, medir una polarización particular para un fotón produce un estado de polarización perpendicular para el fotón compañero: los dos fotones se enredan independientemente de su separación espacial (Einstein se refirió a esto como acción espeluznante A una distancia). Hasta la fecha, el método mejor desarrollado para la generación de pares de fotones es la conversión descendente paramétrica espontánea (SPDC) en cristales no lineales de segundo orden. En el proceso SPDC, un haz de bombeo de alta energía ( = 405nm) puede producir espontáneamente un par de fotones a una energía más baja ( = 810nm).

La generación eficiente de pares de fotones requiere características muy estrictas en el haz de iluminación, tales como p. su tamaño, forma y estado de polarización. Para que estos pares de fotones se enreden en sus polarizaciones, debe haber una superposición de dos posibilidades distintas de generación de pares, cada una con pares de fotones polarizados ortogonales. Para lograr esto con un único cristal no lineal, hemos elegido una configuración basada en el interferómetro Sagnac [3]. Por lo tanto, los haces deben recorrer trayectorias ópticas iguales a lo largo de ambos lados y centrarse en el cristal en el mismo punto.

Diseño opto-mecánico y consideraciones ambientales

Entangled Photon Source assembled.

Fuente enredada de fotones ensamblada.

El alcance de la aplicabilidad del presente dispositivo es el mayor handicap. La compatibilidad de una fuente de fotones enredados con el entorno espacial es uno de los factores clave en el desarrollo de este tipo de fuente. El diseño del dispositivo debe ser compacto, robusto y eficiente.
Como se puede observar en la Fig. 2, todo el dispositivo se ha fabricado ad-hoc de aluminio y es altamente robusto. El tamaño total es de 30x17x11 cm. El tubo de EPS (rodeado por la elipse roja) se coloca en el lado izquierdo y la estructura de Sagnac y las fibras ópticas trenzadas (rodeadas por el círculo azul) en el lado derecho de la Fig. 2.

La complejidad del dispositivo se debe principalmente a la solidez impuesta por la aplicación. Cada elemento óptico y mecánico debe poder posicionarse con tolerancias de posicionamiento por debajo del límite de micrómetro. Además, después del posicionamiento, todos los elementos deben permanecer sin moverse más de un micrómetro, incluso expuestos a la aceleración de lanzamiento. Por lo tanto, todos los componentes deben estar firmemente fijados. En la figura 3a, se representa un detalle del EPS, el bloque Sagnac y un soporte de fibra óptica con trenzas.
Además, las variaciones de temperatura también son muy importantes. La longitud de onda de emisión del diodo láser depende en gran medida de la temperatura. Se usan dos módulos Peltier para asegurar una temperatura de operación estable. Mostramos en la figura 3b el Peltier a cargo de controlar la temperatura LD. Está conectado al LD ​​por varias cintas de cobre.

Ensamblaje de la fuente de fotones enredados

El montaje del EPS ha sido realizado por módulos. En primer lugar, el tubo EPS se ensambló lente por lente hasta obtener el punto focal deseado. El tubo EPS debe estar alineado con precisión.

Opto-mechanical design and assembly

Bloque Sagnac y soporte de fibra óptica trenzada

Además, las distancias entre lentes y LD deben ser exactamente las calculadas previamente. Las piezas móviles dentro del tubo EPS son el diodo láser (ejes xy), la lente L3 (eje x) y L4 (eje y). Otros elementos ópticos son fijados por el montaje mecánico.

Después del montaje del tubo EPS, debe unirse a las otras partes del dispositivo. La estructura de Sagnac se puede dividir en tres partes: espejo dicroico, bloque Sagnac y fibras ópticas trenzadas. Las fibras ópticas se pueden ensamblar al final del proceso, pero el tubo EPS, el espejo dicroico y el bloque Sagnac se deben ensamblar a la vez. Debido a la robustez requerida, los grados de libertad para alinear todos los elementos son limitados.

Opto-mechanical design and assembly

Módulo Peltier para enfriar / calentar el diodo láser

Suponiendo que todas las partes están alineadas en el plano xy, solo son posibles las rotaciones ligeras permitidas por los tornillos. Además, todos los elementos están pegados para agregar robustez pero disminuyendo los grados de libertad para la alineación.

La alineación de todas las partes fue asistida iluminando la estructura desde una de las salidas. Por lo tanto, al iluminar a través de una fibra trenzada, el rayo debe salir del Sagnac a través del otro. Una vez que se logra este hecho, podemos asegurar la alineación correcta de toda la estructura de Sagnac. Después de eso, el espejo dicroico y el tubo EPS se pueden alinear de acuerdo con la estructura de Sagnac.

Conclusiones

Hemos diseñado, fabricado y ensamblado una fuente de fotones enredados para aplicaciones espaciales. Se ha logrado un punto focal con las mismas características dimensionales que el calculado teóricamente. La estabilidad mecánica de la mancha ha sido probada en condiciones de laboratorio. Además, la estabilidad global, incluida la estructura de Sagnac, también se ha demostrado en el laboratorio mediante el control de la salida de las fibras ópticas durante un mes. Este trabajo establece una base confiable para el diseño y ensamblaje futuro de fuentes de fotones enredados compactos y robustos para aplicaciones espaciales y terrestres.

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