Abstrakt
Die Extraktion von Signalen bei niedrigen Einzelphotonen-Zählraten aus hohem Hintergrundrauschen stellt in vielen optischen Experimenten und Technologien eine Herausforderung dar. Hier demonstrieren wir ein Einzelphotonen-Lock-in-Detektionsverfahren, das auf kontinuierlicher Photonen-Zeitstempelung basiert und das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) um mehr als zwei Größenordnungen verbessert. Durch die zeitliche Auflösung der durch periodische Störungen induzierten Signalmodulation werden 98 % der Dunkelzählraten herausgefiltert und die Beiträge verschiedener nichtlinearer Prozesse mit < 1 Zählung/s identifiziert. Als Machbarkeitsnachweis werden kohärente Anti-Stokes-Raman-Messungen eingesetzt, um die Schwingungslebensdauer einiger Moleküle in einem plasmonischen Nanoresonator zu bestimmen. Dieses Detektionsverfahren ist auf alle Einzelphotonen-Zählexperimente mit beliebig vielen simultanen Modulationsfrequenzen anwendbar und ermöglicht eine deutliche Steigerung des SNR sowie die Auflösung physikalischer Prozesse mit Pikosekunden-Zeitauflösung bei gleichzeitig geringer Photonendosis. Das hier bereitgestellte offene Instrumentenpaket ermöglicht eine kostengünstige Implementierung.
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