광 파라미터 오실레이터

적외선 광학 파라미터 오실레이터

광학 파라메트릭 오실레이터(OPO)는 광 주파수에서 진동하는 파라메트릭 오실레이터다. 주파수 $\omega _{p}$ $\omega _{p}$ ${\$ 를 갖는 입력 레이저파("펌프"라 함)를 $\omega _{p}$ 2차 비선형 광학 상호작용을 통해 저주파( $\omega _{s},\omega _{i}$ , $\omega _{s},\omega _{i}$ $\omega _{s},\omega _{i}$ ${\$ 의 출력파 두 개로 변환한다. 출력파 주파수의 합은 입력파 주파수: $\omega _{s}+\omega _{i}=\omega _{p}$ s $\omega _{s}+\omega _{i}=\omega _{p}$ + $\omega _{s}+\omega _{i}=\omega _{p}$ i $\omega _{s}+\omega _{i}=\omega _{p}$ = $\omega _{s}+\omega _{i}=\omega _{p}$ $\omega _{s}+\omega _{i}=\omega _{p}$ ${\$ _ $\omega _{s}+\omega _{i}=\omega _{p}$ ^[1]p}}}. 역사적 이유로 두 출력파를 "신호" 및 "idler"라고 하는데, 여기서 주파수가 높은 출력파는 "신호"라고 한다. 특별한 경우는 퇴보 OPO인데, 출력 주파수가 펌프 주파수의 1/2일 때, 신호와 아이들러가 동일한 양극화를 가질 때 반조화 발생을 일으킬 수 있는 $\omega _{s}=\omega _{i}=\omega _{p}/2$ s $\omega _{s}=\omega _{i}=\omega _{p}/2$ = Ω $\omega _{s}=\omega _{i}=\omega _{p}/2$ = $\omega _{s}=\omega _{i}=\omega _{p}/2$ i = $\omega _{s}=\omega _{i}=\omega _{p}/2$ $\omega _{s}=\omega _{i}=\omega _{p}/2$ / $\omega _{s}=\omega _{i}=\omega _{p}/2$ ${\displaystyle \omega _{s}=\i}\omega _{p}/$ 2}이다 $\omega _{s}=\omega _{i}=\omega _{p}/2$

최초의 광학적 파라메트릭 오실레이터는 Joseph A에 의해 시연되었다. 조르드메인과 로버트 C. 1965년, 레이저가 발명된 지 5년 후,^[2] Bell Labs에서 Miller. 광학적 파라메트릭 오실레이터는 다양한 과학적 목적을 위해 일관성 있는 광원으로 사용되며, 양자역학 연구를 위해 압착된 빛을 생성하기 위해 사용된다. 소련 보고서도 1965년에 발간되었다.^[3]

개요

OPO는 기본적으로 광학적 공명기와 비선형 광 결정으로 구성된다. 광학적 공명기는 신호와 공회전파 중 적어도 하나를 공명시키는 역할을 한다. 비선형 광학 결정에서는 펌프, 신호, 공회전파가 겹친다. 이 세 파동 사이의 상호작용은 신호 및 아이들러 파형에 대한 진폭 이득(모수 증폭)과 펌프 파형의 상응하는 증상으로 이어진다. 이득은 공명파(신호 또는 아이들러 또는 둘 다)가 공명기에서 진동하도록 하여 공명파가 각 왕복에서 경험하는 손실을 보상한다. 이 손실에는 원하는 출력 파형을 제공하는 공명기 미러 중 하나에 의한 오버커플링으로 인한 손실이 포함된다. (상대적) 손실은 펌프 출력과 무관하지만, 이득은 펌프 출력에 의존하기 때문에, 낮은 펌프 출력에서는 진동을 지지하기에 충분한 이득이 없다. 펌프 동력이 특정 임계값 레벨에 도달할 때만 진동이 발생한다. 임계값을 초과하면 공진파의 진폭에 따라 이득도 달라진다. 따라서 정상 상태 작동에서 공명파의 진폭은 이 이득이 (정수) 손실과 같다는 조건에 의해 결정된다. 순환 진폭은 펌프 출력이 증가함에 따라 증가하며, 출력 전력도 증가한다.

광자 변환 효율, 출력 신호의 단위 시간당 출력 광자 수 또는 OPO로 진입하는 단위 시간당 발생 펌프 광자 수에 대한 아이들러 파형의 출력 광자 수는 수십 퍼센트의 범위에서 높을 수 있다. 일반적인 임계 펌프 출력은 공명기의 손실, 상호 작용하는 빛의 주파수, 비선형 물질의 강도 및 비선형성의 비선형성에 따라 수십 밀리와트에서 몇 와트까지이다. 몇 와트의 출력 파워를 얻을 수 있다. 연속파 및 펄스 OPO가 모두 존재한다. 고강도는 1초의 극히 일부분 동안만 지속되기 때문에 비선형 광학 소재와 거울이 연속 고강도 이하로 손상되기 때문에 후자는 제작하기가 더 쉽다.

광학 파라메트릭 오실레이터에서 초기 공회전파 및 신호파는 항상 존재하는 백그라운드 파형에서 취한다. 공회전파가 펌프 빔과 함께 외부에서 주어지면 그 과정을 DFG(Different Frequency Generation)라고 한다. 이것은 광학적 파라메트릭 진동보다 더 효율적인 과정이며, 원칙적으로 임계값이 없을 수 있다.

출력파 주파수를 변경하기 위해서는 비선형 광학 결정의 펌프 주파수 또는 파스매칭 특성을 변경할 수 있다. 이 후자는 온도나 방향 또는 준 사진 촬영 기간을 변경하여 달성한다(아래 참조). 미세 조정을 위해 공명기의 광학 경로 길이도 변경할 수 있다. 또한 공명기는 공명파의 모드 홉을 억제하는 요소를 포함할 수 있다. 이것은 종종 OPO 시스템의 일부 요소를 능동적으로 제어해야 한다.

비선형 광학 결정을 위상 일치시킬 수 없는 경우 준상매칭(QPM)을 채용할 수 있다. 이것은 대부분 정기적인 폴링에 의해 결정의 비선형 광학적 특성을 주기적으로 변화시킴으로써 달성된다. 적절한 주기의 범위를 가지고, 700 nm에서 5000 nm까지의 출력 파장은 주기적으로 폴링된 리튬 니오베이트(PPLN)에서 생성될 수 있다. 일반적인 펌프 공급원은 1.064 µm 또는 0.532 µm의 네오디뮴 레이저다.

OPO의 중요한 특징은 생성된 방사선의 일관성과 스펙트럼 폭이다. 펌프 출력이 임계값을 크게 초과하면 두 출력파는 매우 양호한 근사치까지 일관성이 있는 상태(레이저와 같은 파형)가 된다. 공명파의 선폭은 매우 좁다(몇 kHz만큼 낮음). 또한 비보전 발생 파형은 좁은 선폭의 펌프 파형을 사용할 경우 선폭이 좁아진다. 좁은 선폭 OPO는 분광학에서 널리 사용된다.^[4]

생성된 광선의 양자 특성

OPO에서 KTP 결정

OPO는 연속 변수 시스템에서 압착된 일관성 상태와 뒤얽힌 빛의 상태를 생성하기 위해 가장 널리 사용되는 물리적 시스템이다. 연속 변수에 대한 양자 정보 프로토콜의 많은 실증 실험은 OPO를 이용하여 실현되었다.^[5]^[6]

다운변환 과정은 단일 광자체에서 실제로 일어난다. 즉, 충치 내부에서 전멸되는 각 펌프 광자는 신호와 아이들러 내성 모드에서 한 쌍의 광자를 발생시킨다. 이는 신호장과 공회전장 강도 사이의 양자 상관관계로 이어져, 강도의 뺄셈을 짜고 있는데,^[7] 이는 하향변환장(downcontinent field)에 대해 "쌍동보"라는 명칭을 동기로 했다. 현재까지 도달한 최고 압착 수준은 12.7dB이다.^[8]

쌍둥이 빔의 단계 역시 양자간 상관관계가 있어 이론적으로 1988년에 예측된 얽힘으로 이어진다는 것이 밝혀졌다.^[9] 임계치 이하에서는 1992년에 처음으로 얽힘이 측정되었고,^[10] 2005년에는 임계치 이상으로 측정되었다.^[11]

임계값을 초과하면 펌프 빔이 고갈되어 결정 내부에서 일어나는 양자 현상에 민감하게 된다. 매개변수 상호작용 후 펌프장에서 압착하는 첫 번째 측정은 1997년에 수행되었다.^[12] 세 분야(펌프, 신호, 아이들러)가 모두 얽혀야 한다는 예측이 최근 같은 집단에 의해 실험적으로 입증됐다.^[13]^[14]

쌍둥이 빔의 강도와 위상은 양자 상관관계를 공유할 뿐만 아니라 공간 모드도 공유한다.^[15] 이 기능은 영상 시스템에서 신호 대 노이즈 비율을 향상시키기 위해 사용할 수 있으며, 따라서 영상촬영에 대한 표준 양자 한계치(또는 샷 소음 한계치)를 초과할 수 있다.^[16]

적용들

OPO는 원자가 압축된 빛과 어떻게 상호작용하는지를 연구하기 위해 원자 전환에 맞춘 압착된 빛의 원천으로 오늘날 사용되고 있다.^[17]

또한 최근에는 퇴화한 OPO를 후처리가 필요 없는 전광 양자 난수 생성기로 사용할 수 있다는 것도 입증되고 있다.^[18]

참고 항목

참조

^ Vainio, M.; Halonen, L. (2016). "Mid-infrared optical parametric oscillators and frequency combs for molecular spectroscopy". Physical Chemistry Chemical Physics. 18 (6): 4266–4294. Bibcode:2016PCCP...18.4266V. doi:10.1039/C5CP07052J. ISSN 1463-9076. PMID 26804321.
^ Giordmaine, J.; Miller, R. (1965). "Tunable Coherent Parametric Oscillation in LiNbO3 at Optical Frequencies". Phys. Rev. Lett. APS. 14 (24): 973. Bibcode:1965PhRvL..14..973G. doi:10.1103/PhysRevLett.14.973.
^ Akhmanov SA, Kovrigin AI, Piskarskas AS, Pedev VV, Khokhlov RV, 광학 범위의 파라메트릭 증폭 관측, JETP Letters 2, No.7, 191-193(1965).
^ Orr BJ, Haub JG, White RT (2016). "Spectroscopic Applications of Pulsed Tunable Optical Parametric Oscillators". In Duarte FJ (ed.). Tunable Laser Applications (3rd ed.). Boca Raton: CRC Press. pp. 17–142. ISBN 9781482261066.{{cite book}}: CS1 maint: 작성자 매개변수 사용(링크)
^ 5J. Jing; J. Zhang; Y. Yan; F. Zhao; C. Xie & K. Peng (2003). "Experimental Demonstration of Tripartite Entanglement and Controlled Dense Coding for Continuous Variables". Phys. Rev. Lett. 90 (16): 167903. arXiv:quant-ph/0210132. Bibcode:2003PhRvL..90p7903J. doi:10.1103/PhysRevLett.90.167903. PMID 12732011. S2CID 30991384.
^ N. Takei; H. Yonezawa; T. Aoki & A. Furusawa (2005). "High-Fidelity Teleportation beyond the No-Cloning Limit and Entanglement Swapping for Continuous Variables". Phys. Rev. Lett. 94 (22): 220502. arXiv:quant-ph/0501086. Bibcode:2005PhRvL..94v0502T. doi:10.1103/PhysRevLett.94.220502. PMID 16090375. S2CID 2999038.
^ A. Heidmann; R. J. Horowicz; S. Reynaud; E. Giacobino; C. Fabre & G. Camy (1987). "Observation of Quantum Noise Reduction on Twin Laser Beams". Phys. Rev. Lett. 59 (22): 2555–2557. Bibcode:1987PhRvL..59.2555H. doi:10.1103/PhysRevLett.59.2555. PMID 10035582.
^ Eberle, T.; Steinlechner, S.; Bauchrowitz, J.; Händchen, V.; Vahlbruch, H.; Mehmet, M.; Müller-Ebhardt, H.; Schnabel, R. (2010). "Quantum Enhancement of the Zero-Area Sagnac Interferometer Topology for Gravitational Wave Detection". Phys. Rev. Lett. 104 (25): 251102. arXiv:1007.0574. Bibcode:2010PhRvL.104y1102E. doi:10.1103/PhysRevLett.104.251102. PMID 20867358. S2CID 9929939.
^ M. D. Reid & P. D. Drummond (1988). "Quantum Correlations of Phase in Nondegenerate Parametric Oscillation". Phys. Rev. Lett. 60 (26): 2731–2733. Bibcode:1988PhRvL..60.2731R. doi:10.1103/PhysRevLett.60.2731. PMID 10038437.
^ Z. Y. Ou; S. F. Pereira; H. J. Kimble & K. C. Peng (1992). "Realization of the Einstein-Podolsky-Rosen paradox for continuous variables" (PDF). Phys. Rev. Lett. 68 (25): 3663–3666. Bibcode:1992PhRvL..68.3663O. doi:10.1103/PhysRevLett.68.3663. PMID 10045765.
^ A. S. Villar; L. S. Cruz; K. N. 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.
^ Kasai, K; Jiangrui, Gao; Fabre, C (1997). "Observation of squeezing using cascaded nonlinearity". 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.
^ A. S. Villar; M. Martinelli; C Fabre & P. Nussenzveig (2006). "Direct Production of Tripartite Pump-Signal-Idler Entanglement in the Above-Threshold Optical Parametric Oscillator". Phys. Rev. Lett. 97 (14): 140504. arXiv:quant-ph/0610062. Bibcode:2006PhRvL..97n0504V. doi:10.1103/PhysRevLett.97.140504. PMID 17155232. S2CID 37328629.
^ Coelho, A. S.; Barbosa, F. A. S.; Cassemiro, K. N.; Villar, A. S.; Martinelli, M.; Nussenzveig, P. (2009). "Three-Color Entanglement". Science. 326 (5954): 823–826. arXiv:1009.4250. Bibcode:2009Sci...326..823C. doi:10.1126/science.1178683. PMID 19762598. S2CID 29660274.
^ M. Martinelli; N. Treps; S. Ducci; S. Gigan; A. Maître & C. Fabre (2003). "Experimental study of the spatial distribution of quantum correlations in a confocal optical parametric oscillator". Phys. Rev. A. 67 (2): 023808. arXiv:quant-ph/0210023. Bibcode:2003PhRvA..67b3808M. doi:10.1103/PhysRevA.67.023808. S2CID 119471952.
^ Treps, N.; Andersen, U.; Buchler, B.; Lam, P. K.; Maitre, A.; Bachor, H.-A.; Fabre, C. (2002). "Surpassing the Standard Quantum Limit for Optical Imaging Using Nonclassical Multimode Light". Phys. Rev. Lett. 88 (20): 203601. arXiv:quant-ph/0204017. Bibcode:2002PhRvL..88t3601T. doi:10.1103/PhysRevLett.88.203601. PMID 12005563. S2CID 20948903.
^ T. Tanimura; D. Akamatsu; Y. Yokoi; A. Furusawa; M. Kozuma (2006). "Generation of a squeezed vacuum resonant on a rubidium D1 line with periodically poled 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.
^ Marandi, A.; N. C. Leindecker; K. L. Vodopyanov; R. L. Byer (2012). "All-optical quantum random bit generation from intrinsically binary phase of parametric oscillators". Opt. Express. 20 (17): 19322–19330. arXiv:1206.0815. Bibcode:2012OExpr..2019322M. doi:10.1364/OE.20.019322. PMID 23038574. S2CID 8254138.

외부 링크

OPO에 관한 기사

[1] 레이저 물리학 및 기술 백과사전

[1] Vainio, M.; Halonen, L. (2016). "Mid-infrared optical parametric oscillators and frequency combs for molecular spectroscopy". 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). "Tunable Coherent Parametric Oscillation in LiNbO3 at Optical Frequencies". Phys. Rev. Lett. APS. 14 (24): 973. Bibcode:1965PhRvL..14..973G. doi:10.1103/PhysRevLett.14.973.

[3] Akhmanov SA, Kovrigin AI, Piskarskas AS, Pedev VV, Khokhlov RV, 광학 범위의 파라메트릭 증폭 관측, JETP Letters 2, No.7, 191-193(1965).

[BJO-4] Orr BJ, Haub JG, White RT (2016). "Spectroscopic Applications of Pulsed Tunable Optical Parametric Oscillators". In Duarte FJ (ed.). Tunable Laser Applications (3rd ed.). Boca Raton: CRC Press. pp. 17–142. ISBN 9781482261066.{{cite book}}: CS1 maint: 작성자 매개변수 사용(링크)

[5] 5J. Jing; J. Zhang; Y. Yan; F. Zhao; C. Xie & K. Peng (2003). "Experimental Demonstration of Tripartite Entanglement and Controlled Dense Coding for Continuous Variables". 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). "High-Fidelity Teleportation beyond the No-Cloning Limit and Entanglement Swapping for Continuous Variables". 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; R. J. Horowicz; S. Reynaud; E. Giacobino; C. Fabre & G. Camy (1987). "Observation of Quantum Noise Reduction on Twin Laser Beams". 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.; Mehmet, M.; Müller-Ebhardt, H.; Schnabel, R. (2010). "Quantum Enhancement of the Zero-Area Sagnac Interferometer Topology for Gravitational Wave Detection". Phys. Rev. Lett. 104 (25): 251102. arXiv:1007.0574. Bibcode:2010PhRvL.104y1102E. doi:10.1103/PhysRevLett.104.251102. PMID 20867358. S2CID 9929939.

[9] M. D. Reid & P. D. Drummond (1988). "Quantum Correlations of Phase in Nondegenerate Parametric Oscillation". Phys. Rev. Lett. 60 (26): 2731–2733. Bibcode:1988PhRvL..60.2731R. doi:10.1103/PhysRevLett.60.2731. PMID 10038437.

[10] Z. Y. Ou; S. F. Pereira; H. J. Kimble & K. C. Peng (1992). "Realization of the Einstein-Podolsky-Rosen paradox for continuous variables" (PDF). Phys. Rev. Lett. 68 (25): 3663–3666. Bibcode:1992PhRvL..68.3663O. doi:10.1103/PhysRevLett.68.3663. PMID 10045765.

[11] A. S. Villar; L. S. Cruz; K. N. 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.

[KasaiJiangrui1997-12] Kasai, K; Jiangrui, Gao; Fabre, C (1997). "Observation of squeezing using cascaded nonlinearity". 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.

[13] A. S. Villar; M. Martinelli; C Fabre & P. Nussenzveig (2006). "Direct Production of Tripartite Pump-Signal-Idler Entanglement in the Above-Threshold Optical Parametric Oscillator". 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, A. S.; Barbosa, F. A. S.; Cassemiro, K. N.; Villar, A. S.; Martinelli, M.; Nussenzveig, P. (2009). "Three-Color Entanglement". 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). "Experimental study of the spatial distribution of quantum correlations in a confocal optical parametric oscillator". Phys. Rev. A. 67 (2): 023808. arXiv:quant-ph/0210023. Bibcode:2003PhRvA..67b3808M. doi:10.1103/PhysRevA.67.023808. S2CID 119471952.

[16] Treps, N.; Andersen, U.; Buchler, B.; Lam, P. K.; Maitre, A.; Bachor, H.-A.; Fabre, C. (2002). "Surpassing the Standard Quantum Limit for Optical Imaging Using Nonclassical Multimode Light". 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). "Generation of a squeezed vacuum resonant on a rubidium D1 line with periodically poled 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.; N. C. Leindecker; K. L. Vodopyanov; R. L. Byer (2012). "All-optical quantum random bit generation from intrinsically binary phase of parametric oscillators". Opt. Express. 20 (17): 19322–19330. arXiv:1206.0815. Bibcode:2012OExpr..2019322M. doi:10.1364/OE.20.019322. PMID 23038574. S2CID 8254138.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

Search

광 파라미터 오실레이터

네임스페이스

더

목차

개요

생성된 광선의 양자 특성

적용들

참고 항목

참조

외부 링크