Оптический параметрический генератор - Optical parametric oscillator

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: . 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 полгармоники, когда сигнал и холостой ход 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 параметрический оптический генератор был продемонстрирован Джозефом А. Джордмэйном и Робертом Миллером в 1965 году, 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. В 1965 г. был опубликован и советский отчет.

Обзор

ОПГ состоит по существу из оптического резонатора и нелинейно-оптического кристалла. Оптический резонатор служит для резонирования по крайней мере одной из сигнальной и холостой волны. В нелинейно-оптическом кристалле накачка, сигнальная и холостой волны перекрываются. Взаимодействие между этими тремя волнами приводит к усилению амплитуды сигнальной и холостой волн (параметрическое усиление) и соответствующему ослаблению волны накачки. Коэффициент усиления позволяет резонирующей волне (сигналам) (сигнальной, холостой или обоим) колебаться в резонаторе, компенсируя потери, которые испытывает (и) резонирующая (ые) волна (ы) 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, поскольку высокая интенсивность длится всего лишь 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 свойства согласования фаз 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.

Квантовые свойства генерируемых световых лучей

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.

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, что и послужило причиной названия «двойные лучи» для полей с пониженным преобразованием. Наивысший уровень сжатия, достигнутый на сегодняшний день, составляет 12,7 дБ.

Оказывается, фазы двойных пучков также квантово коррелированы, что приводит к запутыванию , теоретически предсказанному в 1988 году. Ниже порога запутанность впервые была измерена в 1992 году, а в 2005 году выше порогового значения.

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. Недавно было предсказано, что все три поля (накачки, сигнала и холостого хода) должны быть запутаны, предсказание, которое было экспериментально продемонстрировано той же самой группой.

Не только интенсивность и фаза двойных пучков разделяют квантовые корреляции, но и их пространственные моды. Эту функцию можно использовать для улучшения отношения сигнал / шум в системах изображения и, следовательно, превзойти стандартный квантовый предел (или предел дробового шума) для изображения.

Приложения

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

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

Смотрите также

внешняя ссылка

Статьи по OPO

[1] Энциклопедия лазерной физики и технологий

Languages

In other projects