Оптический параметрический осциллятор: принцип работы и применение

Введение

Оптический параметрический осциллятор (OPO) – это параметрический осциллятор, генерирующий колебания на оптических частотах. Он преобразует входную лазерную волну (называемую "насосом") с частотой ω в две выходные волны с более низкой частотой посредством нелинейного оптического взаимодействия второго порядка. Сумма частот выходных волн равна частоте входной волны: ω = ω_signal + ω_idler. По историческим причинам эти две выходные волны называются "сигналом" и "холостым ходом", при этом выходная волна с более высокой частотой именуется "сигналом". Особым случаем является вырожденный ОПО, когда выходная частота составляет половину частоты насоса (ω/2), что может приводить к генерации второй гармоники, если сигнал и холостой ход имеют одинаковую поляризацию. Первый оптический параметрический осциллятор был продемонстрирован Джозефом А. Джордмейном и Робертом С. Миллером в 1965 году, через пять лет после изобретения лазера, в лабораториях Bell Labs. Оптические параметрические осцилляторы используются как когерентные источники света для различных научных целей, а также для генерации сжатого света в исследованиях по квантовой механике. В 1965 году также был опубликован советский отчет.

Обзор

OPO состоит в основном из оптического резонатора и нелинейного оптического кристалла. Оптический резонатор служит для резонирования как минимум одной из сигнальной и холостого хода волн. В нелинейном оптическом кристалле происходит перекрытие насосной, сигнальной и холостого хода волн. Взаимодействие этих трех волн приводит к усилению амплитуды сигнальной и холостого хода волн (параметрическое усиление) и соответствующему ослаблению насосной волны. Усиление позволяет резонирующей волне (сигнальной или холостого хода, или обеим) поддерживать колебания в резонаторе, компенсируя потери, которые испытывает резонирующая волна при каждом проходе. Эти потери включают потери, вызванные выходом излучения через одно из зеркал резонатора, обеспечивающего желаемую выходную волну. Поскольку (относительные) потери не зависят от мощности накачки, а усиление зависит от нее, при низкой мощности накачки усиления недостаточно для поддержания колебаний. Колебания возникают только тогда, когда мощность накачки превышает пороговое значение. Выше порога усиление также зависит от амплитуды резонирующей волны. Таким образом, в стационарном режиме амплитуда резонирующей волны определяется условием равенства этого усиления (постоянным) потерям. Циркулирующая амплитуда увеличивается с ростом мощности накачки, что также приводит к увеличению выходной мощности. Эффективность преобразования фотонов, определяемая как количество выходных фотонов в единицу времени в сигнальной или холостого хода волне по отношению к количеству падающих фотонов накачки в единицу времени, может быть высокой, достигая десятков процентов. Типичная пороговая мощность накачки составляет от десятков милливатт до нескольких ватт, в зависимости от потерь в резонаторе, частот взаимодействующих световых волн, интенсивности в нелинейном материале и его нелинейности. Возможно достижение выходной мощности в несколько ватт. Существуют как ОПО непрерывного излучения, так и импульсные ОПО. Последние проще в реализации, поскольку высокая интенсивность длится лишь малую долю секунды, что меньше повреждает нелинейный оптический материал и зеркала по сравнению с непрерывной высокой интенсивностью. В оптическом параметрическом осцилляторе начальные волны холостого хода и сигнальные волны берутся из фоновых волн, которые всегда присутствуют. Если волна холостого хода подается извне вместе с накачкой, то процесс называется генерацией разностной частоты (DFG). Этот процесс более эффективен, чем оптическая параметрическая генерация, и в принципе может быть безындуктивным. Для изменения частоты выходной волны можно изменить частоту накачки или свойства фазового согласования нелинейного оптического кристалла. Последнее достигается путем изменения его температуры, ориентации или периода квазифазового согласования (см. ниже). Для точной настройки можно также изменить оптическую длину пути в резонаторе. Кроме того, резонатор может содержать элементы для подавления скачков моды резонирующей волны, что часто требует активного управления одним из элементов системы ОПО. Если нелинейный оптический кристалл не может быть фазово согласован, можно использовать квазифазовое согласование (QPM). Это достигается путем периодического изменения нелинейных оптических свойств кристалла, в основном путем периодической поляризации. При подходящем диапазоне периодов можно генерировать выходные длины волн от 700 нм до 5000 нм в периодически поляризованном ниобате лития (PPLN). Обычно в качестве источников накачки используются неодимовые лазеры с длиной волны 1064 нм или 532 нм. Важной характеристикой ОПО является когерентность и спектральная ширина генерируемого излучения. Когда мощность накачки значительно превышает пороговую, обе выходные волны, с очень хорошим приближением, находятся в когерентном состоянии (подобно лазерным волнам). Ширина линии резонирующей волны очень мала (до нескольких кГц). Нерезонирующая генерируемая волна также демонстрирует узкую ширину линии, если используется накачка с узкой шириной линии. ОПО с узкой шириной линии широко используются в спектроскопии.

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.

Квантовые свойства генерируемых световых лучей

ОПО является наиболее широко используемой физической системой 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 ОПО. Процесс спонтанного параметрического рассеяния фактически происходит в режиме одиночного фотона: каждый фотон накачки, аннигилирующий внутри резонатора, порождает пару фотонов в модах сигнала и холостого хода внутри резонатора. Это приводит к квантовой корреляции между интенсивностями полей сигнала и холостого хода, что проявляется в сжатии при вычитании интенсивностей и послужило причиной названия "сдвоенные пучки" для полей, полученных в результате преобразования частоты. Наивысший уровень сжатия, достигнутый на сегодняшний день, составляет 12,7 дБ. Оказывается, фазы сдвоенных пучков также квантово коррелированы, что приводит к запутанности, теоретически предсказанной в 1988 году. Запутанность была впервые измерена ниже порога в 1992 году, а выше порога – в 2005 году. Выше порога, ослабление 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, что было экспериментально продемонстрировано той же группой. Квантовые корреляции проявляются не только в интенсивности и фазе сдвоенных пучков, но и в их пространственных модах. Эта особенность может быть использована для повышения отношения сигнал/шум в системах визуализации и, следовательно, для преодоления стандартного квантового предела (или предела шума выстрела) в задачах формирования изображений.

Приложения

В настоящее время ОПО используется как источник сжатого света, настроенного на атомные переходы, для изучения взаимодействия атомов с этим сжатым светом. Недавно также было показано, что вырожденный ОПО может служить полностью оптическим квантовым генератором случайных чисел, не требующим постобработки.