Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Инфракрасный оптический параметрический генератор

Оптический параметрический генератор ( ОРО ) представляет собой параметрический генератор , который колеблется на оптических частотах. Он преобразует входную лазерную волну (называемую «накачкой») с частотой в две выходные волны более низкой частоты ( ) посредством нелинейно-оптического взаимодействия второго порядка . Сумма частот выходных волн равна входная частота 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 генерация полугармоники, когда сигнал и холостой ход имеют одинаковую поляризацию.

Первый параметрический оптический генератор был продемонстрирован Джозефом А. Джордмэйном 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 и для генерации сжатого света для исследований квантовой механики. Советский доклад был также опубликован в 1965 году [3].

Обзор [ править ]

ОПГ состоит в основном из оптического резонатора и нелинейно-оптическогокристалл. Оптический резонатор служит для резонанса по крайней мере одной из сигнальной и холостой волны. В нелинейно-оптическом кристалле накачка, сигнальная и холостая волны перекрываются. Взаимодействие между этими тремя волнами приводит к усилению амплитуды сигнальных и холостых волн (параметрическое усиление) и соответствующему уменьшению усиления волны накачки. Коэффициент усиления позволяет резонирующей волне (сигналам) (сигнальной, холостой или и тем, и другим) колебаться в резонаторе, компенсируя потери, которые резонирующая волна (волны) испытывает при каждом обходе. Эти потери включают потери из-за вывода одним из зеркал резонатора, которое обеспечивает желаемую выходную волну. Поскольку (относительные) потери не зависят от мощности накачки, но коэффициент усиления зависит от мощности накачки, при низкой мощности накачки нет достаточного усиления для поддержки колебаний.Только когда мощность накачки достигает определенного порогового уровня, возникают колебания. Выше порога усиление зависит также от амплитуды резонансной волны. Таким образом, в установившемся режиме амплитуда резонансной волны определяется условием, что это усиление равно (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, падающих в единицу времени в OPO, может быть высокой, в диапазоне десятков процентов. Типичная пороговая мощность накачки составляет от десятков милливатт до нескольких ватт, в зависимости от потерь в резонаторе, частот взаимодействующего света, интенсивности в нелинейном материале и его нелинейности. Может быть достигнута выходная мощность в несколько ватт. Существуют как непрерывные, так и импульсные ПГС. Последние легче построить, так как высокая интенсивность длится только крошечные доли секунды, что повреждает нелинейно-оптический материал и зеркала меньше, чем непрерывная высокая интенсивность.

В оптическом параметрическом генераторе начальная холостая и сигнальная волны берутся из фоновых волн, которые всегда присутствуют. Если холостой волна подается извне вместе с пучком накачки, то процесс называется генерацией разностной частоты (ГРЧ). Это более эффективный процесс, чем оптическое параметрическое колебание, и в принципе он может быть беспороговым.

Чтобы изменить частоты выходных волн, можно изменить частоту накачки или синхронизирующие свойства нелинейно-оптического кристалла. Последнее достигается путем изменения его температуры или ориентации или периода квази-фазового согласования (см. Ниже). Для точной настройки можно также изменить длину оптического пути резонатора. Кроме того, резонатор может содержать элементы для подавления скачков мод резонирующей волны. Для этого часто требуется активный контроль над каким-либо элементом системы OPO.

Если нелинейно-оптический кристалл не может быть синхронизирован по фазе, можно использовать квазисинхронизацию (QPM). Это достигается периодическим изменением нелинейно-оптических свойств кристалла, в основном периодической полировкой . При подходящем диапазоне периодов выходные длины волн от 700 до 5000 нм могут генерироваться в периодически поляризованном ниобате лития (PPLN). Обычными источниками накачки являются неодимовые лазеры на 1,064 мкм или 0,532 мкм.

Важной особенностью ПГС является когерентность и спектральная ширина генерируемого излучения. Когда мощность накачки значительно превышает пороговую, две выходные волны в очень хорошем приближении представляют собой когерентные состояния (лазерные волны). Ширина линии резонансной волны очень мала (всего несколько кГц). Нерезонированная генерируемая волна также имеет узкую ширину линии, если используется волна накачки с узкой шириной линии. ПГС с узкой шириной линии широко используются в спектроскопии. [4]

Квантовые свойства генерируемых световых лучей [ править ]

Кристаллы KTP в OPO

ПГС - 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 понижающего преобразования действительно происходит в однофотонном режиме: каждый фотон накачки, который аннигилирует внутри резонатора, порождает пару фотонов в сигнальном и холостом режимах внутри резонатора. Это приводит к квантовой корреляции между интенсивностями сигнального и холостого полей, так что при вычитании интенсивностей происходит сжатие [7], что и послужило причиной названия «двойные лучи» для полей, преобразованных с понижением частоты. Наивысший уровень сжатия, достигнутый на сегодняшний день, составляет 12,7 дБ. [8]

Оказывается, фазы двойных пучков также квантово коррелированы, что приводит к запутанности , теоретически предсказанной в 1988 году. [9] Ниже порога запутанность была впервые измерена в 1992 году [10], а в 2005 году выше порогового значения. [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 выполнено в 1997 году. [12] Недавно было предсказано, что все три поля (накачки, сигнала и холостого хода) должны быть перепутаны, [13] предсказание, которое было экспериментально продемонстрировано та же группа. [14]

Не только интенсивность и фаза двойных пучков имеют общие квантовые корреляции, но и их пространственные моды. [15] Эта функция может использоваться для улучшения отношения сигнал / шум в системах изображения и, следовательно, превзойти стандартный квантовый предел (или предел дробового шума) для изображений. [16]

Приложения [ править ]

В настоящее время ПГС используется в качестве источника сжатого света, настроенного на атомные переходы, для изучения того, как атомы взаимодействуют со сжатым светом. [17]

Также недавно было продемонстрировано, что вырожденный OPO может использоваться в качестве полностью оптического квантового генератора случайных чисел , который не требует постобработки. [18]

См. Также [ править ]

  • Нелинейная оптика
  • Оптический параметрический усилитель

Ссылки [ править ]

  1. ^ Вайнио, М .; Халонен, Л. (2016). «Оптические параметрические генераторы среднего инфракрасного диапазона и частотные гребенки для молекулярной спектроскопии» . Физическая химия Химическая физика . 18 (6): 4266–4294. DOI : 10.1039 / C5CP07052J . ISSN  1463-9076 .
  2. ^ Giordmaine, J .; Миллер, Р. (1965). «Настраиваемое когерентное параметрическое колебание в LiNbO3 на оптических частотах». Phys. Rev. Lett . APS. 14 (24): 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, ПисьмаЖЭТФ 2, № 7, 191-193 (1965).
  4. ^ Орр BJ , Haub JG, Белый RT (2016). «Спектроскопические применения импульсных перестраиваемых оптических параметрических генераторов». В Duarte FJ (ред.). Настраиваемые лазерные приложения (3-е изд.). Бока-Ратон: CRC Press . С. 17–142. ISBN 9781482261066.CS1 maint: uses authors parameter (link)
  5. ^ 5 Дж. Цзин; Дж. Чжан; Ю. Ян; Ф. Чжао; К. Се и К. Пэн (2003). «Экспериментальная демонстрация трехчастной запутанности и контролируемого плотного кодирования для непрерывных переменных». Phys. Rev. Lett . 90 (16): 167903. Arxiv : колич-фот / 0210132 . Bibcode : 2003PhRvL..90p7903J . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.90.167903 . PMID 12732011 . 
  6. ^ Н. Такей; Х. Ёнэдзава; Т. Аоки и А. Фурусава (2005). «Телепортация с высокой точностью, превышающая предел запрета клонирования, и замена запутанности на непрерывные переменные». Phys. Rev. Lett . 94 (22): 220502. Arxiv : колич-фот / 0501086 . Bibcode : 2005PhRvL..94v0502T . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.94.220502 . PMID 16090375 . 
  7. ^ А. Хайдманн; RJ Horowicz; С. Рейно; Э. Джакобино; К. Фабр и Дж. Кэми (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. ^ Eberle, T .; Steinlechner, S .; Bauchrowitz, J .; Händchen, V .; Vahlbruch, H .; Мехмет, М .; Müller-Ebhardt, H .; Шнабель, Р. (2010). «Квантовое улучшение топологии интерферометра Саньяка с нулевой площадью для обнаружения гравитационных волн». Phys. Rev. Lett . 104 (25): 251102. arXiv : 1007.0574 . Bibcode : 2010PhRvL.104y1102E . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.104.251102 . PMID 20867358 . 
  9. ^ MD Reid & PD Drummond (1988). «Квантовые корреляции фаз при невырожденном параметрическом колебании». Phys. Rev. Lett . 60 (26): 2731–2733. Bibcode : 1988PhRvL..60.2731R . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.60.2731 . PMID 10038437 . 
  10. ^ З.Ы. Оу; С.Ф. Перейра; HJ Kimble и 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 Вильяр; LS Cruz; К. Н. Кассемиро; М. Мартинелли и П. Нуссензвейг (2005). «Генерация яркой двухцветной непрерывной переменной запутанности». Phys. Rev. Lett . 95 (24): 243603. Arxiv : колич-фот / 0506139 . Bibcode : 2005PhRvL..95x3603V . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.95.243603 . PMID 16384378 . 
  12. ^ Kasai, K; Цзянжуй, Гао; Фабр, С. (1997). «Наблюдение сдавливания с использованием каскадной нелинейности». Письма Europhysics (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 .  
  13. ^ AS Вильяр; М. Мартинелли; С. Фабр и П. Нуссензвейг (2006). "Прямое образование трехчастной запутанности сигнала накачки-холостого хода в сверхпороговом оптическом параметрическом генераторе". Phys. Rev. Lett . 97 (14): 140504. Arxiv : колич-фот / 0610062 . Bibcode : 2006PhRvL..97n0504V . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.97.140504 . PMID 17155232 . 
  14. ^ Коэльо, AS; Барбоза, ФАС; Cassemiro, KN; Villar, AS; Martinelli, M .; Нуссензвейг, П. (2009). «Трехцветная запутанность» . Наука . 326 (5954): 823–826. arXiv : 1009,4250 . Bibcode : 2009Sci ... 326..823C . DOI : 10.1126 / science.1178683 . PMID 19762598 . 
  15. ^ М. Мартинелли; Н. Трепс; С. Дуччи; С. Гиган; А. Мэтр и К. Фабр (2003). «Экспериментальное исследование пространственного распределения квантовых корреляций в конфокальном параметрическом генераторе оптики». Phys. Rev. A . 67 (2): 023808. Arxiv : колич-фот / 0210023 . Bibcode : 2003PhRvA..67b3808M . DOI : 10.1103 / PhysRevA.67.023808 .
  16. ^ Treps, N .; Андерсен, У .; Buchler, B .; Лам, ПК; Maitre, A .; Bachor, H.-A .; Фабр, К. (2002). «Превышение стандартного квантового предела для оптического изображения с использованием неклассического многомодового света». Phys. Rev. Lett . 88 (20): 203601. Arxiv : колич-фот / 0204017 . Bibcode : 2002PhRvL..88t3601T . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.88.203601 .
  17. ^ Т. Танимура; Д. Акамацу; Y. Yokoi; А. Фурусава; М. Козума (2006). «Генерация резонанса сжатого вакуума на линии D1 рубидия с периодически поляризованным KTiOPO4». Опт. Lett . 31 (15): 2344–6. arXiv : квант-ph / 0603214 . Bibcode : 2006OptL ... 31.2344T . DOI : 10.1364 / OL.31.002344 . PMID 16832480 . 
  18. ^ Маранди, А .; NC Leindecker; К.Л. Водопьянов; Р.Л. Байер (2012). «Полностью оптическая квантовая генерация случайных битов из бинарной фазы параметрических генераторов». Опт. Экспресс . 20 (17): 19322–19330. arXiv : 1206.0815 . Bibcode : 2012OExpr..2019322M . DOI : 10,1364 / OE.20.019322 . PMID 23038574 . 

Внешние ссылки [ править ]

Статьи по OPO

  • [1] Энциклопедия лазерной физики и технологий