Оптический параметрический генератор ( ОПО ) — это параметрический генератор , который колеблется на оптических частотах. Он преобразует входную лазерную волну (называемую «накачкой») с определенной частотой в две выходные волны более низкой частоты ( ) посредством нелинейного оптического взаимодействия второго порядка . Сумма частот выходных волн равна частоте входной волны: . [1] По историческим причинам две выходные волны называются «сигналом» и «холостым», где выходная волна с более высокой частотой является «сигналом». Особым случаем является вырожденный OPO, когда выходная частота равна половине частоты накачки, что может привести к генерации полугармоники, когда сигнал и холостой ход имеют одинаковую поляризацию.
Первый оптический параметрический генератор был продемонстрирован Джозефом А. Джордмейном и Робертом 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, а также для генерации сжатого света для исследований в области квантовой механики. Советский доклад также был опубликован в 1965 году. [3]
ОПГ состоит по существу из оптического резонатора и нелинейно-оптического кристалла. Оптический резонатор служит для резонирования по меньшей мере одной из сигнальной и холостой волн. В нелинейно-оптическом кристалле волны накачки, сигнальная и холостая волны перекрываются. Взаимодействие этих трех волн приводит к увеличению амплитуды сигнальной и холостой волн (параметрическое усиление) и соответствующему ослаблению волны накачки. Усиление позволяет резонирующей волне(ам) (сигналу или холостому сигналу, или и тому и другому) колебаться в резонаторе, компенсируя потери, которые резонирующая волна(ы) испытывает(-ют) при каждом обходе туда и обратно. В эти потери входят потери из-за развязки одним из зеркал резонатора, обеспечивающим желаемую выходную волну. Поскольку (относительные) потери не зависят от мощности накачки, а усиление зависит от мощности накачки, при низкой мощности накачки усиления недостаточно для поддержания колебаний. Колебания возникают только тогда, когда мощность накачки превышает порог. Выше порога коэффициент усиления зависит также от амплитуды резонирующей волны. Таким образом, в установившемся режиме амплитуда резонирующей волны определяется условием равенства этого усиления (постоянным) потерям. Амплитуда циркуляции увеличивается с увеличением мощности накачки, как и выходная мощность.
Эффективность преобразования фотонов, количество выходных фотонов в единицу времени в выходном сигнале или холостой волне относительно количества фотонов накачки, попадающих в единицу времени в ОПО, может быть высокой, в пределах десятков процентов. Типичная пороговая мощность накачки составляет от десятков милливатт до нескольких ватт, в зависимости от потерь резонатора, частот взаимодействующего света, интенсивности нелинейного материала и его нелинейности. Выходная мощность может достигать нескольких ватт. Существуют как непрерывные, так и импульсные ОПГ. Последние легче построить, поскольку высокая интенсивность длится лишь крошечную долю секунды, что повреждает нелинейный оптический материал и зеркала меньше, чем постоянная высокая интенсивность.
В оптическом параметрическом генераторе исходные холостые и сигнальные волны берутся из фоновых волн, которые всегда присутствуют. Если холостая волна подается извне вместе с пучком накачки, то процесс называется генерацией разностной частоты (ГРЧ). Это более эффективный процесс, чем оптическая параметрическая генерация, и в принципе он может быть беспороговым.
Чтобы изменить частоты выходных волн, можно изменить частоту накачки или свойства фазового синхронизма нелинейного оптического кристалла. Последнее достигается изменением его температуры, ориентации или периода квазисинхронизма (см. ниже). Для более точной настройки можно также изменить длину оптического пути резонатора. Кроме того, резонатор может содержать элементы для подавления скачков мод резонирующей волны. Зачастую для этого требуется активное управление каким-либо элементом системы ОПО.
Если нелинейный оптический кристалл не может быть синхронизирован, можно использовать квазисинхронизм (QPM). Это достигается за счет периодического изменения нелинейно-оптических свойств кристалла, в основном путем периодической поляризации . При подходящем диапазоне периодов выходные длины волн от 700 до 5000 нм можно генерировать в ниобате лития с периодической поляризацией (PPLN). Обычными источниками накачки являются неодимовые лазеры с длиной волны 1064 или 532 нм.
Важной особенностью ОПО является когерентность и ширина спектра генерируемого излучения. Когда мощность накачки значительно превышает пороговую, две выходные волны в очень хорошем приближении представляют собой когерентные состояния (лазерные волны). Ширина линии резонирующей волны очень узкая (всего несколько кГц). Нерезонансная генерируемая волна также имеет узкую ширину линии, если используется волна накачки с узкой шириной линии. ОПГ с узкой шириной линии широко используются в спектроскопии. [4]
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 даун-конверсии действительно происходит в однофотонном режиме: каждый фотон накачки, аннигилирующий внутри резонатора, порождает пару фотонов в сигнальной и холостой внутрирезонаторной модах. Это приводит к квантовой корреляции между интенсивностями сигнального и холостого полей, так что происходит сжатие при вычитании интенсивностей, [7] , что послужило причиной названия «двойные лучи» для преобразованных с понижением частоты полей. Максимальный уровень сжатия, достигнутый на сегодняшний день, составляет 12,7 дБ. [8]
Оказывается, фазы двойных пучков также квантово коррелируют, что приводит к запутанности , теоретически предсказанной в 1988 году. [9] Ниже порога запутанность была измерена впервые в 1992 году, [10] и в 2005 году выше порога. [11]
Выше порога обеднение 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 (насос, сигнал и холостой ход) должны быть запутаны, [13] предсказание, которое было экспериментально продемонстрировано та же группа. [14]
Не только интенсивность и фаза двойных лучей имеют общие квантовые корреляции, но также и их пространственные моды. [15] Эту функцию можно использовать для улучшения соотношения сигнал/шум в системах обработки изображений и, следовательно, для преодоления стандартного квантового предела (или предела дробового шума) для визуализации. [16]
В настоящее время ОФО используется в качестве источника сжатого света, настроенного на атомные переходы, с целью изучения того, как атомы взаимодействуют со сжатым светом. [17]
Недавно также было продемонстрировано, что вырожденный OPO можно использовать в качестве полностью оптического квантового генератора случайных чисел , не требующего постобработки. [18]
Статьи об ОПО
