Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
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.
An optical parametric oscillator (OPO) is a parametric oscillator that oscillates at optical frequencies. It converts an input laser wave (called "pump") with frequency into two output waves of lower frequency by means of second order nonlinear optical interaction. The sum of the output waves' frequencies is equal to the input wave frequency: For historical reasons, the two output waves are called "signal" and "idler", where the output wave with higher frequency is the "signal". A special case is the degenerate OPO, when the output frequency is one half the pump frequency, , which can result in half harmonic generation when signal and idler have the same polarization. The first optical parametric oscillator was demonstrated by Joseph A. Giordmaine and Robert C. Miller in 1965, five years after the invention of the laser, at Bell Labs. Optical parametric oscillators are used as coherent light sources for various scientific purposes, and to generate squeezed light for quantum mechanics research. A Soviet report was also published in 1965.
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.
The OPO consists essentially of an optical resonator and a nonlinear optical crystal. The optical resonator serves to resonate at least one of signal and idler waves. In the nonlinear optical crystal, the pump, signal and idler waves overlap. The interaction between these three waves leads to amplitude gain for signal and idler waves (parametric amplification) and a corresponding deamplification of the pump wave. The gain allows the resonating wave(s) (signal or idler or both) to oscillate in the resonator, compensating the loss that the resonating wave(s) experience(s) at each round trip. This loss includes the loss due to outcoupling by one of the resonator mirrors, which provides the desired output wave. Since the (relative) loss is independent of the pump power, but the gain is dependent on pump power, at low pump power there is insufficient gain to support oscillation. Oscillation occurs only when the pump power exceeds a threshold. Above the threshold, the gain depends also on the amplitude of the resonated wave. Thus, in steady state operation, the amplitude of the resonated wave is determined by the condition that this gain equals the (constant) loss. The circulating amplitude increases with increasing pump power, and so does the output power. The photon conversion efficiency, the number of output photons per unit time in the output signal or idler wave relative to number of pump photons incident per unit time into the OPO can be high, in the range of tens of percent. Typical threshold pump power is between tens of milliwatts to several watts, depending on losses of the resonator, the frequencies of the interacting light, the intensity in the nonlinear material, and its nonlinearity. An output power of several watts can be achieved. There exist both continuous wave and pulsed OPOs. The latter are easier to build, since the high intensity lasts only for a tiny fraction of a second, which damages the nonlinear optical material and the mirrors less than a continuous high intensity. In the optical parametric oscillator the initial idler and signal waves are taken from background waves, which are always present. If the idler wave is given from the outside along with the pump beam, then the process is called difference frequency generation (DFG). This is a more efficient process than optical parametric oscillation, and in principle can be thresholdless. In order to change the output wave frequencies, one can change the pump frequency or the phasematching properties of the nonlinear optical crystal. This latter is accomplished by changing its temperature or orientation or quasi phasematching period (see below). For fine tuning one can also change the optical path length of the resonator. In addition, the resonator may contain elements to suppress mode hops of the resonating wave. This often requires active control of some element of the OPO system. If the nonlinear optical crystal cannot be phase matched, quasi phase matching (QPM) can be employed. This is accomplished by periodically changing the nonlinear optical properties of the crystal, mostly by periodical poling. With a suitable range of periods, output wavelengths from 700 nm to 5000 nm can be generated in periodically poled lithium niobate (PPLN). Common pump sources are neodymium lasers at 1064 nm or 532 nm. An important feature of the OPO is the coherence and the spectral width of the generated radiation. When the pump power is significantly above threshold, the two output waves are, to a very good approximation, coherent states (laser like waves). The linewidth of the resonated wave is very narrow (as low as several kHz). The nonresonated generated wave also exhibits narrow linewidth if a pump wave of narrow linewidth is employed. Narrow linewidth OPOs are widely used in spectroscopy.
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.
The OPO is the physical system most widely used to generate squeezed coherent states and entangled states of light in the continuous variables regime. Many demonstrations of quantum information protocols for continuous variables were realized using OPOs. The downconversion process really occurs in the single photon regime: each pump photon that is annihilated inside the cavity gives rise to a pair of photons in the signal and idler intracavity modes. This leads to a quantum correlation between the intensities of signal and idler fields, so that there is squeezing in the subtraction of intensities, which motivated the name "twin beams" for the downconverted fields. The highest squeezing level attained to date is 12.7 dB. It turns out that the phases of the twin beams are quantum correlated as well, leading to entanglement, theoretically predicted in 1988. Below threshold, entanglement was measured for the first time in 1992, and in 2005 above threshold. Above threshold, the pump beam depletion makes it sensitive to the quantum phenomena happening inside the crystal. The first measurement of squeezing in the pump field after parametric interaction was done in 1997. It has been recently predicted that all three fields (pump, signal and idler) must be entangled, a prediction which was experimentally demonstrated by the same group. Not only intensity and phase of the twin beams share quantum correlations, but also do their spatial modes. This feature could be used to enhance signal to noise ratio in image systems and hence surpass the standard quantum limit (or the shot noise limit) for imaging.
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.
The OPO is being employed nowadays as a source of squeezed light tuned to atomic transitions, in order to study how the atoms interact with squeezed light. It has also recently been demonstrated that a degenerate OPO can be used as an all optical quantum random number generator that does not require post processing.