Кіріспе

Оптикалық параметрлік осциллятор (OPO) – оптикалық жиіліктерде тербелетін параметрлік осциллятор. Ол екінші реттік сызықтық емес оптикалық өзара әрекеттесу арқылы кіріс лазерлік толқынды (соққы деп аталады) жиілігі бар екі төмен жиілікті шығыс толқынына түрлендіреді. Шығыс толқындарының жиіліктерінің қосындысы кіріс толқынының жиілігіне тең: . Тарихи себептерге байланысты екі шығыс толқыны "сигнал" және "бос жүргіш" деп аталады, мұнда жиілігі жоғары шығыс толқыны "сигнал" болып табылады. Ерекше жағдай – дегенеративті OPO, онда шығыс жиілігі соққы жиілігінің жартысына тең , және сигнал мен бос жүргіштің поляризациясы бірдей болғанда жартылай гармоникалық генерацияға алып келуі мүмкін. Бірінші оптикалық параметрлік осцилляторды Джозеф А. Джордмен мен Роберт С. Миллер 1965 жылы, лазер ойлап табылғаннан бес жыл кейін Bell Labs-те көрсетті. Оптикалық параметрлік осцилляторлар әртүрлі ғылыми мақсаттар үшін когерентті жарық көзі ретінде, сондай-ақ кванттық механиканы зерттеу үшін сығылған жарық генерациялауға қолданылады. 1965 жылы кеңестік есеп те жарияланды.

Шолу

ОПО негізінен оптикалық резонатор мен сызықтық емес оптикалық кристалдан тұрады. Оптикалық резонатор сигнал және бос жүріс толқындарының кем дегенде біреуін резонансқа келтіруге қызмет етеді. Сызықтық емес оптикалық кристалда сорғы, сигнал және бос жүріс толқындары бір-бірімен тоғысады. Бұл үш толқынның өзара әрекеттесуі сигнал мен бос жүріс толқындарының амплитудасын арттырады (параметрлік күшейту) және соған сәйкес сорғы толқынының амплитудасын азайтады. Күшейту резонанстық толқынға (сигнал немесе бос жүріс немесе екеуі де) резонаторда тербеліске мүмкіндік береді, бұл резонанстық толқынның әр айналымда болатын жоғалуын өтеуге мүмкіндік береді. Бұл жоғалуға резонатор айналарының бірі арқылы шығаруға байланысты жоғалу кіреді, ол қажетті шығыс толқынын қамтамасыз етеді. (Салмасты) жоғалу сорғы қуатынан тәуелсіз болғандықтан, ал күшейту сорғы қуатына байланысты болғандықтан, сорғы қуаты төмен болған кезде тербелісті қолдау үшін жеткіліксіз күшейту болады. Тербеліс тек сорғы қуаты шекті мәннен асқан кезде ғана пайда болады. Шегінен жоғары күшейту резонанстық толқынның амплитудасына да байланысты. Осылайша, тұрақты күйдегі жұмыс кезінде резонанстық толқынның амплитудасы осы күшейту (тұрақты) жоғалуға тең болатын жағдаймен анықталады. Айналымдағы амплитуда сорғы қуатының артуымен, сондай-ақ шығыс қуаты да артады. Фотонды түрлендіру тиімділігі, шығыс сигналындағы немесе бос жүріс толқынындағы уақыт бірлігіне шығыс фотондарының саны, ОПО-ға уақыт бірлігіне түскен сорғы фотондарының санына қатысты ондаған пайызға жете алады. Типикалық шекті сорғы қуаты ондаған милливаттан бірнеше ваттқа дейін, резонатордың жоғалуына, өзара әрекеттесетін жарықтың жиілігіне, сызықтық емес материалдағы интенсивтілікке және оның сызықтық еместігіне байланысты. Бірнеше ватттық шығыс қуатына қол жеткізуге болады. Ұзын және импульстік ОПО-лар бар. Соңғыларын жасау оңайырақ, өйткені жоғары интенсивтілік секундың өте шағын бөлігін ғана құрайды, бұл сызықтық емес оптикалық материалға және айналарға үздіксіз жоғары интенсивтілікке қарағанда аз зақым келтіреді. Оптикалық параметрлік осцилляторында бастапқы бос жүріс және сигнал толқындары әрқашан болатын фондық толқындардан алынады. Егер бос жүріс толқыны сорғы сәулесімен бірге сырттан берілсе, онда бұл процесс айырмашылық жиілігін тудыру (DFG) деп аталады. Бұл оптикалық параметрлік осцилляцияға қарағанда тиімдірек процесс және принципі бойынша шексіз болуы мүмкін. Шығыс толқынының жиілігін өзгерту үшін сорғы жиілігін немесе сызықтық емес оптикалық кристалдың фазалық сәйкестік қасиеттерін өзгертуге болады. Соңғысы оның температурасын, бағытын немесе квазифазалық сәйкестендіру кезеңін өзгерту арқылы жүзеге асырылады (төменде қараңыз). Нақты реттеу үшін резонатордың оптикалық жол ұзындығын да өзгертуге болады. Сонымен қатар, резонаторда резонанстық толқынның режимдік секіруін басуға арналған элементтер болуы мүмкін. Бұл көбінесе ОПО жүйесінің кейбір элементтерін белсенді басқаруды қажет етеді. Егер сызықтық емес оптикалық кристал фазалық сәйкестендіруге болмаса, квазифазалық сәйкестендіруді (QPM) қолдануға болады. Бұл кристалдың сызықтық емес оптикалық қасиеттерін мерзімді түрде өзгерту арқылы, көбінесе мерзімді полюстеу арқылы жүзеге асырылады. Тиісті кезеңдер диапазонымен 700 нм-ден 5000 нм-ге дейінгі шығыс толқын ұзындықтарын кезеңді полюстелген литий ниобатында (PPLN) жасауға болады. Көбінесе сорғы көздері 1064 нм немесе 532 нм-дегі неодим лазерлері болып табылады. ОПО-ның маңызды ерекшелігі – туындаған сәулеленудің когеренттілігі және спектрлік ені. Егер сорғы қуаты шекті мәннен әлдеқайда жоғары болса, екі шығыс толқыны өте жақсы жағдайда когерентті күйде болады (лазерлік толқындар сияқты). Резонанстық толқынның сызық ені өте тар (бірнеше кГц-қа дейін). Резонанссыз туындаған толқын да тар сызық енін көрсетеді, егер тар сызық ені бар сорғы толқыны қолданылса. Тар сызық ені бар ОПО спектроскопияда кеңінен қолданылады.

Жарық сәулелерінің кванттық қасиеттері

ОПО – үздіксіз айнымалы режимде сығымдалған үйлесімді күйлер мен жарықтың түйіскен күйлерін жасау үшін ең көп қолданылатын физикалық жүйе. Үздіксіз айнымалыларға арналған кванттық ақпарат протоколдарының көптеген демонстрациялары ОПО-ны пайдалану арқылы жүзеге асырылды. Төмендету процесі негізінен бір фотондық режимде жүреді: қуыс ішінде жойылған әрбір сорғы фотоны сигнал және инерциялық қуыстық режимдеріндегі фотондар жұбын тудырады. Бұл сигнал және инерциялық өрістердің интенсивтілігі арасында кванттық корреляцияға әкеледі, сондықтан интенсивтіліктерді азайтуда сығу пайда болады, бұл төмендетілген өрістер үшін «екі егіз сәуле» деген атқа ие болды. Бүгінгі күнге дейін қол жеткізілген ең жоғары сығу деңгейі 12,7 дБ құрайды. Екі егіз сәуленің фазалары да кванттық корреляцияға ие екені анықталды, бұл 1988 жылы теориялық тұрғыда болжанған түйісуге әкеледі. Түйісу алғаш рет 1992 жылы шектің астында, ал 2005 жылы шектің үстінде өлшенді. Шектен жоғары, сорғы сәулесінің әлсіреуі кристалл ішіндегі кванттық құбылыстарға сезімтал етеді. Параметрлік өзара әрекеттесуден кейін сорғы өрісіндегі сығуды алғаш рет 1997 жылы өлшеді. Жақында барлық үш өріс (сорғы, сигнал және инерциялық) түйісуге тиіс деген болжам айтылды, бұл болжамды сол топ тәжірибе жүзінде көрсетті. Екі егіз сәуленің ғана емес, интенсивтілігі мен фазасы, сонымен қатар олардың кеңістіктік режимдері де кванттық корреляцияға ие. Бұл мүмкіндікті бейнелеу жүйелерінде сигнал мен шу арақатынасын жақсарту үшін және осылайша бейнелеу үшін стандартты кванттық шектен (немесе кадр шуының шегінен) асып түсу үшін пайдалануға болады.

Қолданбалар

Қазіргі кезде ОПО атомдық ауысуларға сәйкес келтірілген қысылған жарықтың көзі ретінде қолданылып, атомдардың қысылған жарықпен өзара әрекеттесуін зерттеуге мүмкіндік береді. Сонымен қатар, жақында дегенерацияланған ОПО-ның кейін өңдеуді қажет етпейтін толық оптикалық кванттық кездейсоқ сандар генераторы ретінде қолданылуы мүмкін екені дәлелденді.