Optischer parametrischer Oszillator - Optical parametric oscillator
Ein optischer parametrischer Oszillator ( OPO ) ist ein parametrischer Oszillator , der mit optischen Frequenzen schwingt. Es wandelt eine Eingangslaserwelle mit der Frequenz ( „Pumpe“ genannt) in zwei Ausgangswellen von niedriger Frequenz ( ) mittels zweiter Ordnung nicht lineare optische Wechselwirkung . Die Summe der Frequenzen der Ausgangswellen entspricht der Frequenz der Eingangswellen : . Aus historischen Gründen werden die beiden Ausgangswellen "Signal" und "Leerlauf" genannt, wobei die Ausgangswelle mit höherer Frequenz das "Signal" ist. Ein Sonderfall ist das entartete OPO, wenn die Ausgangsfrequenz die Hälfte der Pumpfrequenz beträgt , was zur Erzeugung einer halben Harmonischen führen kann, wenn Signal und Leerlauf die gleiche Polarisation haben.
Der erste optisch-parametrische Oszillator wurde 1965 von Joseph A. Giordmaine und Robert C. Miller, fünf Jahre nach der Erfindung des Lasers, in Bell Labs demonstriert. Optische parametrische Oszillatoren werden als kohärente Lichtquellen für verschiedene wissenschaftliche Zwecke und zur Erzeugung von gequetschtem Licht für die quantenmechanische Forschung verwendet. Ein sowjetischer Bericht wurde ebenfalls 1965 veröffentlicht.
Überblick
Das OPO besteht im Wesentlichen aus einem optischen Resonator und einem nichtlinearen optischen Kristall. Der optische Resonator dient dazu, mindestens eine von Signal- und Leerlaufwellen in Resonanz zu bringen. In dem nichtlinearen optischen Kristall überlappen sich die Pump-, Signal- und Leerlaufwellen. Die Wechselwirkung zwischen diesen drei Wellen führt zu einer Amplitudenverstärkung für Signal- und Leerlaufwellen (parametrische Verstärkung) und einer entsprechenden Deamplifikation der Pumpwelle. Durch die Verstärkung können die Resonanzwelle (n) (Signal oder Leerlauf oder beides) im Resonator schwingen, wodurch der Verlust kompensiert wird, den die Resonanzwelle (n) bei jedem Umlauf erleiden. Dieser Verlust schließt den Verlust aufgrund der Auskopplung durch einen der Resonatorspiegel ein, der die gewünschte Ausgangswelle liefert. Da der (relative) Verlust unabhängig von der Pumpleistung ist, die Verstärkung jedoch von der Pumpleistung abhängt, ist bei niedriger Pumpleistung die Verstärkung nicht ausreichend, um die Schwingung zu unterstützen. Erst wenn die Pumpleistung einen bestimmten Schwellenwert erreicht, tritt eine Schwingung auf. Oberhalb der Schwelle hängt die Verstärkung auch von der Amplitude der Resonanzwelle ab. Somit wird im stationären Betrieb die Amplitude der Resonanzwelle durch die Bedingung bestimmt, dass diese Verstärkung gleich dem (konstanten) Verlust ist. Die zirkulierende Amplitude nimmt mit zunehmender Pumpleistung zu, ebenso die Ausgangsleistung.
Die Photonenumwandlungseffizienz, die Anzahl der Ausgangsphotonen pro Zeiteinheit im Ausgangssignal oder der Leerlaufwelle im Verhältnis zur Anzahl der pro Zeiteinheit in den OPO einfallenden Pumpphotonen kann im Bereich von zehn Prozent hoch sein. Die typische Pumpschwellenleistung liegt zwischen zehn Milliwatt und mehreren Watt, abhängig von den Verlusten des Resonators, den Frequenzen des wechselwirkenden Lichts, der Intensität des nichtlinearen Materials und seiner Nichtlinearität. Ausgangsleistungen von mehreren Watt können erreicht werden. Es gibt sowohl Dauerstrich- als auch gepulste OPOs. Letztere sind einfacher zu bauen, da die hohe Intensität nur einen winzigen Bruchteil einer Sekunde anhält, wodurch das nichtlineare optische Material und die Spiegel weniger als eine kontinuierlich hohe Intensität beschädigt werden.
Im optischen parametrischen Oszillator werden die anfänglichen Leerlauf- und Signalwellen von Hintergrundwellen entnommen, die immer vorhanden sind. Wird die Leerlaufwelle zusammen mit dem Pumpstrahl von außen abgegeben, spricht man von Differenzfrequenzerzeugung (DFG). Dies ist ein effizienterer Prozess als die optische parametrische Schwingung und kann im Prinzip schwellenlos sein.
Um die Ausgangswellenfrequenzen zu ändern, kann man die Pumpfrequenz oder die Phasenanpassungseigenschaften des nichtlinearen optischen Kristalls ändern . Letzteres wird durch Ändern der Temperatur oder Orientierung oder der Quasi-Phasenanpassungsperiode erreicht (siehe unten). Zur Feinabstimmung kann auch die optische Weglänge des Resonators geändert werden. Zusätzlich kann der Resonator Elemente enthalten, um Modensprünge der Resonanzwelle zu unterdrücken. Dies erfordert häufig eine aktive Steuerung eines Elements des OPO-Systems.
Wenn der nichtlineare optische Kristall nicht phasenangepasst werden kann, kann eine Quasi-Phasenanpassung (QPM) verwendet werden. Dies wird erreicht, indem die nichtlinearen optischen Eigenschaften des Kristalls periodisch geändert werden , hauptsächlich durch periodisches Polen . Mit einem geeigneten Bereich von Perioden können Ausgangswellenlängen von 700 nm bis 5000 nm in periodisch gepoltem Lithiumniobat (PPLN) erzeugt werden. Gemeinsame Pumpquellen sind Neodym - Laser bei 1,064 & mgr; m oder 0,532 & mgr; m.
Ein wichtiges Merkmal des OPO ist die Kohärenz und die spektrale Breite der erzeugten Strahlung. Wenn die Pumpleistung deutlich über dem Schwellenwert liegt, sind die beiden Ausgangswellen in sehr guter Näherung kohärente Zustände (laserähnliche Wellen). Die Linienbreite der Resonanzwelle ist sehr eng (so niedrig wie einige kHz). Die nicht resonierte erzeugte Welle zeigt auch eine enge Linienbreite, wenn eine Pumpwelle mit einer engen Linienbreite verwendet wird. OPOs mit schmaler Linienbreite werden in der Spektroskopie häufig verwendet.
Quanteneigenschaften der erzeugten Lichtstrahlen
Das OPO ist das physikalische System, das am häufigsten verwendet wird, um gequetschte kohärente Zustände und verschränkte Lichtzustände im Regime kontinuierlicher Variablen zu erzeugen . Viele Demonstrationen von Quanteninformationsprotokollen für kontinuierliche Variablen wurden unter Verwendung von OPOs realisiert.
Der Abwärtskonvertierungsprozess findet tatsächlich im Einzelphotonenbereich statt: Jedes Pumpphoton, das innerhalb des Hohlraums vernichtet wird, erzeugt ein Photonenpaar im Signal- und Leerlauf-Intracavity-Modus. Dies führt zu einer Quantenkorrelation zwischen den Intensitäten von Signal- und Leerlauffeldern, so dass die Subtraktion von Intensitäten zusammengedrückt wird, was den Namen "Zwillingsstrahlen" für die herunterkonvertierten Felder motivierte. Der bisher höchste erreichte Quetschpegel beträgt 12,7 dB.
Es stellt sich heraus, dass die Phasen der Zwillingsstrahlen ebenfalls quantenkorreliert sind, was zu einer Verschränkung führt , die 1988 theoretisch vorhergesagt wurde. Unterhalb der Schwelle wurde die Verschränkung erstmals 1992 und 2005 oberhalb der Schwelle gemessen.
Oberhalb der Schwelle macht die Pumpstrahlverarmung sie empfindlich für die im Kristall auftretenden Quantenphänomene. Die erste Messung des Quetschens im Pumpenfeld nach parametrischer Wechselwirkung wurde 1997 durchgeführt. Kürzlich wurde vorausgesagt, dass alle drei Felder (Pumpe, Signal und Leerlauf) verwickelt sein müssen, eine Vorhersage, die von derselben Gruppe experimentell demonstriert wurde.
Nicht nur Intensität und Phase der Zwillingsstrahlen teilen Quantenkorrelationen, sondern auch ihre räumlichen Moden. Diese Funktion könnte verwendet werden, um das Signal-Rausch-Verhältnis in Bildsystemen zu verbessern und damit die Standardquantengrenze (oder die Schussrauschgrenze) für die Bildgebung zu überschreiten.
Anwendungen
Das OPO wird heutzutage als Quelle für zusammengedrücktes Licht eingesetzt, das auf atomare Übergänge abgestimmt ist, um zu untersuchen, wie die Atome mit zusammengedrücktem Licht interagieren.
Kürzlich wurde auch gezeigt, dass ein entartetes OPO als rein optischer Quantenzufallszahlengenerator verwendet werden kann , der keine Nachbearbeitung erfordert.
Siehe auch
Verweise
Externe Links
Artikel über OPOs
- [1] Enzyklopädie der Laserphysik und -technologie