Optisk parametrisk oscillator - Optical parametric oscillator

Infrarød optisk parametrisk oscillator

En optisk parametrisk oscillator ( OPO ) er en parametrisk oscillator, der oscillerer ved optiske frekvenser. Det konverterer et input laser bølge (kaldet "pumpe") med frekvens i to output bølger af lavere frekvens ( ) ved hjælp af anden- orden ikke-lineære optiske interaktion . Summen af output bølger frekvenser er lig med input bølgefrekvensen: . Af historiske årsager kaldes de to udgangsbølger "signal" og "tomgang", hvor udgangsbølgen med højere frekvens er "signalet". Et specielt tilfælde er den degenererede OPO, når udgangsfrekvensen er halvdelen af ​​pumpefrekvensen , hvilket kan resultere i halvharmonisk generering, når signal og tomgang har samme polarisering. ${\ displaystyle \ omega _ {p}}$${\ displaystyle \ omega _ {s}, \ omega _ {i}}$ ${\ displaystyle \ omega _ {s} + \ omega _ {i} = \ omega _ {p}}$${\ displaystyle \ omega _ {s} = \ omega _ {i} = \ omega _ {p} / 2}$

Den første optiske parametriske oscillator blev demonstreret af Joseph A. Giordmaine og Robert C. Miller i 1965, fem år efter opfindelsen af ​​laseren, hos Bell Labs. Optiske parametriske oscillatorer bruges som sammenhængende lyskilder til forskellige videnskabelige formål og til at generere presset lys til kvantemekanikforskning. En sovjetisk rapport blev også offentliggjort i 1965.

Oversigt

OPO består i det væsentlige af en optisk resonator og en ikke-lineær optisk krystal. Den optiske resonator tjener til at resonere mindst en af ​​signal- og tomgangsbølger. I den ikke-lineære optiske krystal overlapper pumpe-, signal- og tomgangsbølgerne. Samspillet mellem disse tre bølger fører til amplitudeforøgelse for signal- og tomgangsbølger (parametrisk forstærkning) og en tilsvarende dæmpning af pumpebølgen. Forstærkningen giver resonansbølgen (e) (signal eller tomgang eller begge dele) mulighed for at svinge i resonatoren og kompensere for det tab, som resonansbølgen (e) oplever ved hver rundtur. Dette tab inkluderer tabet på grund af udkobling af et af resonatorspejle, hvilket giver den ønskede udgangsbølge. Da det (relative) tab er uafhængigt af pumpeeffekten, men forstærkningen afhænger af pumpeeffekten, er der ved lav pumpeeffekt utilstrækkelig forstærkning til at understøtte svingning. Først når pumpens effekt når et bestemt tærskelniveau, opstår svingning. Over tærsklen afhænger forstærkningen også af amplituden af ​​den resonerede bølge. I steady-state-drift bestemmes således resonansbølgens amplitude af den betingelse, at denne forstærkning er lig med (konstant) tab. Den cirkulerende amplitude øges med stigende pumpeeffekt, og det samme gør udgangseffekten.

Fotonkonverteringseffektiviteten, antallet af udgangsfotoner pr. Tidsenhed i udgangssignalet eller tomgangsbølgen i forhold til antallet af pumpefotoner, der indtræffer pr. Tidsenhed i OPO'en, kan være højt i intervallet ti procent. Typisk tærskel pumpeeffekt er mellem titusinder af milliwatt til flere watt, afhængigt af tab af resonatoren, frekvenserne af det interagerende lys, intensiteten i det ikke-lineære materiale og dets ikke-linearitet. Udgangseffekt på flere watt kan opnås. Der eksisterer både kontinuerlige bølger og pulserende OPO'er. Sidstnævnte er lettere at bygge, da den høje intensitet kun varer i en lille brøkdel af et sekund, hvilket beskadiger det ikke-lineære optiske materiale og spejle mindre end en kontinuerlig høj intensitet.

I den optiske parametriske oscillator er den initiale tomgangs- og signalbølger taget fra baggrundsbølger, som altid er til stede. Hvis den medløbende bølge er givet udefra sammen med pumpen stråle, så processen kaldes differensfrekvens generation (DFG). Dette er en mere effektiv proces end optisk parametrisk svingning og kan i princippet være tærskeløs.

For at ændre udgangsbølgefrekvenserne kan man ændre pumpefrekvensen eller fasematchingsegenskaberne for den ikke-lineære optiske krystal. Sidstnævnte opnås ved at ændre dens temperatur eller orientering eller kvasafasematchingsperiode (se nedenfor). Til finjustering kan man også ændre resonatorens optiske kurslængde. Derudover kan resonatoren indeholde elementer til at undertrykke mode-humle af den resonansbølge. Dette kræver ofte aktiv kontrol af et eller andet element i OPO-systemet.

Hvis den ikke-lineære optiske krystal ikke kan fase-matches, kan kvasifase-matching (QPM) anvendes. Dette opnås ved periodisk at ændre de ikke-lineære optiske egenskaber af krystallen, hovedsagelig ved periodisk polering . Med et passende interval af perioder kan outputbølgelængder fra 700 nm til 5000 nm genereres i periodisk polet lithiumniobat (PPLN). Fælles pumpe kilder er neodym lasere på 1,064 um eller 0,532 um.

Et vigtigt træk ved OPO er kohærensen og den spektrale bredde af den genererede stråling. Når pumpens effekt er væsentligt over tærsklen, er de to udgangsbølger til en meget god tilnærmelse sammenhængende tilstande (laserlignende bølger). Linjebredden af ​​den resonerede bølge er meget smal (så lav som flere kHz). Den ikke-resonerede genererede bølge udviser også smal linjebredde, hvis der anvendes en pumpebølge med smal linjebredde. OPO'er med smal linjebredde anvendes i vid udstrækning i spektroskopi.

Kvanteegenskaber for de genererede lysstråler

KTP- krystaller i en OPO

OPO er det fysiske system, der er mest anvendt til at generere sammenpressede sammenhængende tilstande og sammenfiltrede lystilstande i regimet med kontinuerlige variabler. Mange demonstrationer af kvanteinformationsprotokoller for kontinuerlige variabler blev realiseret ved hjælp af OPO'er.

Den nedkonvertering proces virkelig sker i enkelt foton regime: hver pumpe foton, der er tilintetgjort inden i hulrummet giver anledning til et par af fotoner i signalet og fritløbende intrakavitets tilstande. Dette fører til en kvantekorrelation mellem intensiteterne i signal- og tomgangsfelter, så der presses ind i subtraktionen af ​​intensiteter, hvilket motiverede navnet "dobbeltstråler" for de nedkonverterede felter. Det hidtil højeste klemningsniveau er 12,7 dB.

Det viser sig, at faserne i dobbeltstrålerne også er kvantekorreleret, hvilket fører til sammenfiltring , teoretisk forudsagt i 1988. Under tærsklen blev sammenfiltring målt for første gang i 1992 og i 2005 over tærsklen.

Over tærsklen gør pumpestrålens udtømning den følsom over for kvantefænomenerne, der sker inde i krystallen. Den første måling af klemning i pumpefeltet efter parametrisk interaktion blev udført i 1997. Det er for nylig blevet forudsagt, at alle tre felter (pumpe, signal og tomgang) skal vikles sammen, en forudsigelse, som eksperimentelt blev demonstreret af den samme gruppe.

Ikke kun intensiteten og fasen af ​​de to stråler deler kvantekorrelationer, men gør også deres rumlige tilstande. Denne funktion kan bruges til at forbedre signal / støjforholdet i billedsystemer og dermed overgå standardkvantegrænsen (eller billedstøjgrænsen) til billeddannelse.

Ansøgninger

OPO anvendes i dag som en kilde til klemt lys, der er indstillet til atomovergange for at undersøge, hvordan atomer interagerer med klemt lys.

Det er også for nylig demonstreret, at en degenereret OPO kan bruges som en all-optisk kvante tilfældig talgenerator , der ikke kræver efterbehandling.

Se også

• Ikke-lineær optik
• Optisk parametrisk forstærker

Referencer

eksterne links

Artikler om OPO'er

• [1] Encyclopædi for laserfysik og teknologi