Оптический параметрический генератор

Инфракрасный оптический параметрический генератор

Оптический параметрический генератор ( OPO ) — это параметрический генератор , который колеблется на оптических частотах. Он преобразует входную лазерную волну (называемую «накачкой») с частотой в две выходные волны с более низкой частотой ( ) посредством нелинейного оптического взаимодействия второго порядка . Сумма частот выходных волн равна частоте входной волны: . ^[1] По историческим причинам две выходные волны называются «сигнальной» и «холостой», где выходная волна с более высокой частотой является «сигналом». Особым случаем является вырожденный OPO, когда выходная частота составляет половину частоты накачки, , что может привести к генерации полугармоники, когда сигнальная и холостая волны имеют одинаковую поляризацию. ${\displaystyle \omega _{p}}$ ${\displaystyle \omega _{s},\omega _{i}}$ ${\displaystyle \omega _{s}+\omega _{i}=\omega _{p}}$ ${\displaystyle \omega _{s}=\omega _{i}=\omega _{p}/2}$

Первый оптический параметрический генератор был продемонстрирован Джозефом А. Джордмейном и Робертом К. Миллером в 1965 году ^[2] через пять лет после изобретения лазера в Bell Labs. Оптические параметрические генераторы используются в качестве источников когерентного света для различных научных целей и для генерации сжатого света для исследований квантовой механики. Советский отчет также был опубликован в 1965 году. ^[3]

Обзор

OPO по сути состоит из оптического резонатора и нелинейного оптического кристалла. Оптический резонатор служит для резонирования по крайней мере одной из сигнальных и холостых волн. В нелинейном оптическом кристалле накачка, сигнальная и холостая волны перекрываются. Взаимодействие между этими тремя волнами приводит к усилению амплитуды для сигнальных и холостых волн (параметрическое усиление) и соответствующему ослаблению усиления волны накачки. Усиление позволяет резонирующей волне (волнам) (сигнальной или холостой, или обеим) колебаться в резонаторе, компенсируя потери, которые резонирующая волна (волны) испытывает при каждом круговом обходе. Эти потери включают потери из-за выхода одним из зеркал резонатора, что обеспечивает желаемую выходную волну. Поскольку (относительные) потери не зависят от мощности накачки, но усиление зависит от мощности накачки, при низкой мощности накачки усиление недостаточно для поддержания колебаний. Колебания происходят только тогда, когда мощность накачки превышает пороговое значение. Выше порогового значения усиление также зависит от амплитуды резонирующей волны. Таким образом, в стационарном режиме работы амплитуда резонирующей волны определяется условием, что этот коэффициент усиления равен (постоянным) потерям. Циркулирующая амплитуда увеличивается с ростом мощности накачки, а также выходной мощности.

Эффективность преобразования фотонов, количество выходных фотонов в единицу времени в выходном сигнале или холостой волне относительно количества фотонов накачки, падающих в единицу времени на ОПО, может быть высокой, в диапазоне десятков процентов. Типичная пороговая мощность накачки составляет от десятков милливатт до нескольких ватт, в зависимости от потерь резонатора, частот взаимодействующего света, интенсивности в нелинейном материале и его нелинейности. Может быть достигнута выходная мощность в несколько ватт. Существуют как непрерывные, так и импульсные ОПО. Последние проще построить, поскольку высокая интенсивность длится только крошечную долю секунды, что повреждает нелинейный оптический материал и зеркала меньше, чем непрерывная высокая интенсивность.

В оптическом параметрическом генераторе начальные холостая и сигнальная волны берутся из фоновых волн, которые всегда присутствуют. Если холостая волна задается извне вместе с накачивающим пучком, то процесс называется генерацией разностной частоты (ГРЧ). Это более эффективный процесс, чем оптическая параметрическая генерация, и в принципе может быть безпороговым.

Для изменения выходных волновых частот можно изменить частоту накачки или фазово-согласующие свойства нелинейного оптического кристалла. Последнее достигается путем изменения его температуры, ориентации или периода квазифазового согласования (см. ниже). Для тонкой настройки можно также изменить оптическую длину пути резонатора. Кроме того, резонатор может содержать элементы для подавления скачков мод резонирующей волны. Для этого часто требуется активное управление каким-либо элементом системы OPO.

Если нелинейный оптический кристалл не может быть согласован по фазе, можно использовать квазисогласование по фазе (QPM). Это достигается путем периодического изменения нелинейных оптических свойств кристалла, в основном путем периодической поляризации . При подходящем диапазоне периодов выходные длины волн от 700 нм до 5000 нм могут быть получены в периодически поляризованном ниобате лития (PPLN). Обычными источниками накачки являются неодимовые лазеры на 1064 нм или 532 нм.

Важной особенностью ОПО является когерентность и спектральная ширина генерируемого излучения. Когда мощность накачки значительно превышает пороговую, две выходные волны, в очень хорошем приближении, являются когерентными состояниями (лазерноподобными волнами). Ширина линии резонирующей волны очень узкая (всего несколько кГц). Нерезонирующая сгенерированная волна также демонстрирует узкую ширину линии, если используется волна накачки с узкой шириной линии. ОПО с узкой шириной линии широко используются в спектроскопии. ^[4]

Квантовые свойства генерируемых световых лучей

Кристаллы КТР в ОПО

OPO — это физическая система, наиболее широко используемая для генерации сжатых когерентных состояний и запутанных состояний света в режиме непрерывных переменных. Многие демонстрации протоколов квантовой информации для непрерывных переменных были реализованы с использованием OPO. ^{[5] [6]}

Процесс преобразования вниз действительно происходит в однофотонном режиме: каждый фотон накачки, который аннигилирует внутри полости, порождает пару фотонов в сигнальной и холостой внутрирезонаторных модах. Это приводит к квантовой корреляции между интенсивностями сигнальных и холостых полей, так что происходит сжатие при вычитании интенсивностей, ^[7] что мотивировало название «двойные лучи» для полей с пониженной частотой. Самый высокий уровень сжатия, достигнутый на сегодняшний день, составляет 12,7 дБ. ^[8]

Оказывается, фазы двух пучков также квантово коррелированы, что приводит к запутыванию , теоретически предсказанному в 1988 году. ^[9] Ниже порога запутывание было впервые измерено в 1992 году ^[10] , а выше порога — в 2005 году ^{[11] .}

Выше порога истощение пучка накачки делает его чувствительным к квантовым явлениям, происходящим внутри кристалла. Первое измерение сжатия в поле накачки после параметрического взаимодействия было сделано в 1997 году. ^[12] Недавно было предсказано, что все три поля (накачка, сигнал и холостое) должны быть запутаны, ^[13] предсказание, которое было экспериментально продемонстрировано той же группой. ^[14]

Не только интенсивность и фаза двух пучков разделяют квантовые корреляции, но также и их пространственные моды. ^[15] Эта особенность может быть использована для улучшения отношения сигнал/шум в системах формирования изображений и, следовательно, для превышения стандартного квантового предела (или предела дробового шума) для формирования изображений. ^[16]

Приложения

В настоящее время ОПО используется как источник сжатого света, настроенного на атомные переходы, для изучения взаимодействия атомов со сжатым светом. ^[17]

Недавно также было продемонстрировано, что вырожденный ОПО может использоваться в качестве полностью оптического квантового генератора случайных чисел , не требующего постобработки. ^[18]

Смотрите также

• Нелинейная оптика
• Оптический параметрический усилитель

Ссылки

1. Vainio, M.; Halonen, L. (2016). «Среднеинфракрасные оптические параметрические осцилляторы и частотные гребенки для молекулярной спектроскопии». Physical Chemistry Chemical Physics . 18 (6): 4266–4294. Bibcode :2016PCCP...18.4266V. doi :10.1039/C5CP07052J. ISSN  1463-9076. PMID  26804321.
2. Giordmaine, J.; Miller, R. (1965). «Настраиваемая когерентная параметрическая осцилляция в LiNbO3 на оптических частотах». Phys. Rev. Lett . 14 (24). APS: 973. Bibcode : 1965PhRvL..14..973G. doi : 10.1103/PhysRevLett.14.973.
3. Ахманов С.А., Ковригин А.И., Пискарскас А.С., Фадеев В.В., Хохлов Р.В., Наблюдение параметрического усиления в оптическом диапазоне, Письма ЖЭТФ 2, №7, 191-193 (1965).
4. Orr BJ , Haub JG, White RT (2016). «Спектроскопические применения импульсных перестраиваемых оптических параметрических генераторов». В Duarte FJ (ред.). Приложения перестраиваемых лазеров (3-е изд.). Boca Raton: CRC Press . стр. 17–142. ISBN 9781482261066.
5. 5 J. Jing; J. Zhang; Y. Yan; F. Zhao; C. Xie & K. Peng (2003). "Экспериментальная демонстрация трехкомпонентной запутанности и контролируемого плотного кодирования для непрерывных переменных". Phys. Rev. Lett . 90 (16): 167903. arXiv : quant-ph/0210132 . Bibcode :2003PhRvL..90p7903J. doi :10.1103/PhysRevLett.90.167903. PMID  12732011. S2CID  30991384.
6. N. Takei; H. Yonezawa; T. Aoki & A. Furusawa (2005). "Высокоточная телепортация за пределы предела отсутствия клонирования и обмен запутанностью для непрерывных переменных". Phys. Rev. Lett . 94 (22): 220502. arXiv : quant-ph/0501086 . Bibcode : 2005PhRvL..94v0502T. doi : 10.1103/PhysRevLett.94.220502. PMID  16090375. S2CID  2999038.
7. A. Heidmann; RJ Horowicz; S. Reynaud; E. Giacobino; ​​C. Fabre & G. Camy (1987). «Наблюдение квантового шумоподавления на двойных лазерных лучах». Phys. Rev. Lett . 59 (22): 2555–2557. Bibcode : 1987PhRvL..59.2555H. doi : 10.1103/PhysRevLett.59.2555. PMID  10035582.
8. Эберле, Т.; Штайнлехнер, С.; Баухровиц, Дж.; Хендхен, В.; Вальбрух, Х.; Мехмет, М.; Мюллер-Эбхардт, Х.; Шнабель, Р. (2010). «Квантовое улучшение топологии интерферометра Саньяка с нулевой площадью для обнаружения гравитационных волн». Физ. Преподобный Летт . 104 (25): 251102. arXiv : 1007.0574 . Бибкод : 2010PhRvL.104y1102E. doi : 10.1103/PhysRevLett.104.251102. PMID  20867358. S2CID  9929939.
9. MD Reid & PD Drummond (1988). «Квантовые корреляции фазы в невырожденных параметрических колебаниях». Phys. Rev. Lett . 60 (26): 2731–2733. Bibcode :1988PhRvL..60.2731R. doi :10.1103/PhysRevLett.60.2731. PMID  10038437.
10. ZY Ou; SF Pereira; HJ Kimble & KC Peng (1992). «Реализация парадокса Эйнштейна-Подольского-Розена для непрерывных переменных» (PDF) . Phys. Rev. Lett . 68 (25): 3663–3666. Bibcode :1992PhRvL..68.3663O. doi :10.1103/PhysRevLett.68.3663. PMID  10045765.
11. AS Villar; LS Cruz; KN Cassemiro; M. Martinelli & P. ​​Nussenzveig (2005). "Generation of Bright Two-Color Continuous Variable Entanglement". Phys. Rev. Lett . 95 (24): 243603. arXiv : quant-ph/0506139 . Bibcode : 2005PhRvL..95x3603V. doi : 10.1103/PhysRevLett.95.243603. PMID  16384378. S2CID  13815567.
12. Касаи, К; Цзянжуй, Гао; Фабр, К (1997). «Наблюдение сжатия с использованием каскадной нелинейности». Europhysics Letters (EPL) . 40 (1): 25–30. Bibcode : 1997EL.....40...25K. CiteSeerX 10.1.1.521.1373 . doi : 10.1209/epl/i1997-00418-8. ISSN  0295-5075. S2CID  250806511. 
13. AS Villar; M. Martinelli; C Fabre & P. ​​Nussenzveig (2006). "Прямое создание трехкомпонентной запутанности накачки-сигнала-холостого хода в оптическом параметрическом генераторе выше порога". Phys. Rev. Lett . 97 (14): 140504. arXiv : quant-ph/0610062 . Bibcode :2006PhRvL..97n0504V. doi :10.1103/PhysRevLett.97.140504. PMID  17155232. S2CID  37328629.
14. Coelho, AS; Barbosa, FAS; Cassemiro, KN; Villar, AS; Martinelli, M.; Nussenzveig, P. (2009). "Трехцветная запутанность". Science . 326 (5954): 823–826. arXiv : 1009.4250 . Bibcode :2009Sci...326..823C. doi :10.1126/science.1178683. PMID  19762598. S2CID  29660274.
15. M. Martinelli; N. Treps; S. Ducci ; S. Gigan; A. Maître & C. Fabre (2003). "Экспериментальное исследование пространственного распределения квантовых корреляций в конфокальном оптическом параметрическом осцилляторе". Phys. Rev. A. 67 ( 2): 023808. arXiv : quant-ph/0210023 . Bibcode : 2003PhRvA..67b3808M. doi : 10.1103/PhysRevA.67.023808. S2CID  119471952.
16. Трепс, Н.; Андерсен, У.; Бухлер, Б.; Лам, П.К.; Мэтр, А.; Бахор, Х.-А.; Фабр, К. (2002). «Преодоление стандартного квантового предела для оптической визуализации с использованием неклассического многомодового света». Phys. Rev. Lett . 88 (20): 203601. arXiv : quant-ph/0204017 . Bibcode : 2002PhRvL..88t3601T. doi : 10.1103/PhysRevLett.88.203601. PMID  12005563. S2CID  20948903.
17. T. Tanimura; D. Akamatsu; Y. Yokoi; A. Furusawa; M. Kozuma (2006). «Генерация сжатого вакуумного резонанса на рубидиевой линии D1 с периодически поляризованным KTiOPO4». Opt. Lett . 31 (15): 2344–6. arXiv : quant-ph/0603214 . Bibcode :2006OptL...31.2344T. doi :10.1364/OL.31.002344. PMID  16832480. S2CID  18700111.
18. Marandi, A.; NC Leindecker; KL Vodopyanov; RL Byer (2012). «Полностью оптическая квантовая генерация случайных битов из внутренне бинарной фазы параметрических осцилляторов». Opt. Express . 20 (17): 19322–19330. arXiv : 1206.0815 . Bibcode : 2012OExpr..2019322M. doi : 10.1364/OE.20.019322. PMID  23038574. S2CID  8254138.

Внешние ссылки

Статьи о ОПО

• [1] Энциклопедия лазерной физики и техники