INTERFERANZA DEL SINGOLO FOTONE

INTEFERENZADEL SINGOLO

FOTONE

Guido Pegna, Dipartimento di Fisica Università Di Cagliari

pegna@unica.it http://www.pegna.com

PROGETTO: INTEFERENZA

NELLA DIFFRAZIONEDA DUE FORI

(ESPERIM. ALLA YOUNGCON LUCE DEBOLE)

TECNICA STANDARD: SCANSIONE DEL CAMPO IMMAGINE

L’INTENSITÀ I VARIA CON L’ANGOLO

DI “APERTURA” :I = I0sen2/2

DIFFRAZIONE DA UN FORO

<I>

I0

ANDAMENTO DELL’INTENSITÀ NELLA FIGURA DI DIFFRAZIONE

DA DUE FORI

I PARAMETRI DELL’ESPERIMENTO

d = 1,22 D/a y = D/h

D

a: Diam. fori

h dy

Onde piane

Distribuz. Airy

Interfer.

SCHERMO

PIANO IMMAGINE

Nel nostro apparecchio si ha: D = 0,5 m (dist. Fori-Piano immagine) = 0,6 10-6 m (Laser) D = 1 cm = 10-2 m (Diam. della figura di Airy) h = 1 mm (Distanza fra i fori)

Dai quali cui si deduce il diametro dei fori:

a = 4010-2 mm il passo delle frange di interferenza: y = 0,1 mme la frazione IL della luce emessa dal Laser che supera i fori (Spot del Laser = 4,5 mm2): IL = 510-4

COME POSSIAMO ESSERE SICURI

CHE NEL NOSTRO

APPARECCHIO VI SIA

QUASI SEMPRE UN SOLO

FOTONE CHE VIAGGIA

DALLA SORGENTE AL PIANO

DELL’IMMAGINE?

FOTOMOLTIPLICATORE PER CONTEGGIO

DI FOTONI SINGOLI

IMMAGINEDI INTERFERENZA

CHE COPRE TUTTO IL FOTOCATODO.

VALUTAZIONE A PARTIRE DALLE CARATTERISTICHE DEL

RIVELATORE

1. Si regola la corrente della sorgente di luce fino ad avere, per esempio, una corrente

anodica del PM di 1 nA.

2. Il PM ha un guadagno di 106. Quindi la corrente

di fotoelettroni è di 10-15 A 104 elettroni/s.

3. Il rendimento quantico del PM per la luce rossa

è intorno al 4%. Quindi il numero di fotoni che

incidono sul fotocatodo è circa 2,5105 fotoni/s

4. Quindi si ha in media un fotone ogni 410-6 s

5. Se non vi fosse il ricevitore, i fotoni sarebbero

distribuiti nello spazio uno ogni 1,2 Km.

IN CONCLUSIONE:

NELL’ APPARATO SI HA

UN FOTONE OGNI 4 s,

MENTRE PER PERCORRERE

IL TRAGITTOAL SUO INTERNO

I FOTONI IMPIEGANO 3 ns

VALUTAZIONE A PARTIRE DALLE CARATTERISTICHE DELLA

SORGENTE

1. Il Laser è alimentato con una corrente I = 3,2·10-6 A = 3,2·10-6 Coul/s = [e = 1,6·10-19 Coulomb] 2·1013 elettroni/s 2. Ammettendo un rendimento della sorgente di circa 10-4 fotoni/elettrone si avrebbero N = 2·109 fotoni/s emessi

3. Il rapporto fra la sezione dei fori e quella del fascio è di circa 5·10-4. Quindi il numero di fotoni che superano i fori è: Nfotoni = 106 fotoni/s

Dunque N 106 fotoni/sec

5. Secondo questa valutazione si avrebbe un fotone ogni microsecondo nella parte interferometrica dell’apparato. Vi è ancora un margine di un fattore 600 fra l’intervallo medio di tempo fra ogni fotone (1 s) e il tempo di transito di ciascun fotone (1,5 ns).

RISULTATI: IMPULSI Ilaser = 21 A

RISULTATI: IMPULSIIlaser = 21 A

SIAMO COSÌ SICURI,

CON BUON MARGINE,

CHE NELL’APPARATO

VI È SEMPRE

SOLO UN FOTONE

PER VOLTA

LA NUOVA TECNICA QUI PROPOSTA:ACQUISIRE

SIMULTANEAMENTETUTTA L’IMMAGINE

CON UNA TELECAMERASENSIBILE AL SINGOLO

FOTONE

WEBCAM COMMERCIALI MODIFICATE

PER LUNGHE ESPOSIZIONI

E SPECIFICI PROGRAMMI

DI CONTROLLO

DELLA TELECAMERA,

DEL TEMPO DI POSA,

DELLE MODALITÀ

DI ACQUISIZIONE,

DI SOMMA DELLE IMMAGINI

(K3CCDTOOLS)

UN ESEMPIOLa Nebulosa M16, detta “Eagle”, 6500 anni luce dist.

L’APPARECCHIO

LA SCATOLA OSCURA

LASER E CIRCUITI

Laser

L’OTTURATORE

Fori

Galvanometro

WEBCAM

Webcam

PM

RIPRESA 1: Esposizione 15 s (4·106 fotoni)

RIPRESA 2: 4 Esposizioni da 15 s

RIPRESA 3: 20 esposizioni da 15 s

GRAZIE!

Cagliari 15 Feb. 2009