Oscilador paramétrico óptico - Optical parametric oscillator
Un oscilador paramétrico óptico ( OPO ) es un oscilador paramétrico que oscila a frecuencias ópticas. Convierte una onda láser de entrada (llamada "bomba") con frecuencia en dos ondas de salida de menor frecuencia ( ) mediante interacción óptica no lineal de segundo orden . La suma de las frecuencias de las ondas de salida es igual a la frecuencia de la onda de entrada: . Por razones históricas, las dos ondas de salida se denominan "señal" y "inactiva", donde la onda de salida con mayor frecuencia es la "señal". Un caso especial es el OPO degenerado, cuando la frecuencia de salida es la mitad de la frecuencia de la bomba , lo que puede resultar en una generación de medio armónico cuando la señal y el ralentí tienen la misma polarización.
El primer oscilador paramétrico óptico fue demostrado por Joseph A. Giordmaine y Robert C. Miller en 1965, cinco años después de la invención del láser, en Bell Labs. Los osciladores paramétricos ópticos se utilizan como fuentes de luz coherentes para diversos fines científicos y para generar luz comprimida para la investigación de la mecánica cuántica. También se publicó un informe soviético en 1965.
Visión general
El OPO consiste esencialmente en un resonador óptico y un cristal óptico no lineal . El resonador óptico sirve para hacer resonar al menos una de las ondas de señal y de inactividad. En el cristal óptico no lineal, la bomba, la señal y las ondas locas se superponen. La interacción entre estas tres ondas conduce a una ganancia de amplitud para la señal y las ondas inactivas (amplificación paramétrica) y la correspondiente desamplificación de la onda de bombeo. La ganancia permite que la (s) onda (s) resonante (s) (señal o inactiva o ambas) oscilen en el resonador, compensando la pérdida que experimenta (n) la (s) onda (s) resonante (s) en cada viaje de ida y vuelta. Esta pérdida incluye la pérdida debida al desacoplamiento de uno de los espejos resonadores, que proporciona la onda de salida deseada. Dado que la pérdida (relativa) es independiente de la potencia de la bomba, pero la ganancia depende de la potencia de la bomba, a una potencia de bomba baja no hay ganancia suficiente para soportar la oscilación. Solo cuando la potencia de la bomba alcanza un nivel de umbral particular, se produce una oscilación. Por encima del umbral, la ganancia también depende de la amplitud de la onda resonada. Por lo tanto, en la operación de estado estable, la amplitud de la onda resonada está determinada por la condición de que esta ganancia sea igual a la pérdida (constante). La amplitud de circulación aumenta al aumentar la potencia de la bomba, al igual que la potencia de salida.
La eficiencia de conversión de fotones, el número de fotones de salida por unidad de tiempo en la señal de salida u onda inactiva en relación con el número de fotones de bombeo incidentes por unidad de tiempo en el OPO puede ser alto, en el rango de decenas de por ciento. La potencia de la bomba de umbral típico está entre decenas de milivatios a varios vatios, dependiendo de las pérdidas del resonador, las frecuencias de la luz que interactúa, la intensidad en el material no lineal y su no linealidad. Se pueden lograr potencias de salida de varios vatios. Existen OPO tanto de onda continua como pulsada . Estos últimos son más fáciles de construir, ya que la alta intensidad dura solo una pequeña fracción de segundo, lo que daña el material óptico no lineal y los espejos menos que una alta intensidad continua.
En el oscilador paramétrico óptico, las ondas inactivas y de señal iniciales se toman de las ondas de fondo, que siempre están presentes. Si la onda loca se da desde el exterior junto con el rayo de la bomba, entonces el proceso se denomina generación de frecuencia diferencial (DFG). Este es un proceso más eficiente que la oscilación paramétrica óptica y, en principio, puede ser sin umbral.
Para cambiar las frecuencias de la onda de salida, se puede cambiar la frecuencia de la bomba o las propiedades de ajuste de fase del cristal óptico no lineal. Esto último se logra cambiando su temperatura u orientación o período de coincidencia de cuasifase (ver más abajo). Para un ajuste fino, también se puede cambiar la longitud del camino óptico del resonador. Además, el resonador puede contener elementos para suprimir los saltos de modo de la onda resonante. Esto a menudo requiere un control activo de algún elemento del sistema OPO.
Si el cristal óptico no lineal no se puede emparejar en fase, se puede emplear un emparejamiento cuasifásico (QPM). Esto se logra cambiando periódicamente las propiedades ópticas no lineales del cristal, principalmente mediante pulido periódico . Con un rango adecuado de períodos, se pueden generar longitudes de onda de salida de 700 nm a 5000 nm en niobato de litio de polos periódicos (PPLN). Las fuentes de bombeo habituales son los láseres de neodimio a 1,064 µm o 0,532 µm.
Una característica importante del OPO es la coherencia y el ancho espectral de la radiación generada. Cuando la potencia de la bomba está significativamente por encima del umbral, las dos ondas de salida son, en una muy buena aproximación, estados coherentes (ondas de tipo láser). El ancho de línea de la onda resonada es muy estrecho (tan bajo como varios kHz). La onda generada no resonada también exhibe un ancho de línea estrecho si se emplea una onda de bombeo de ancho de línea estrecho. Los OPO de ancho de línea estrecho se utilizan ampliamente en espectroscopia.
Propiedades cuánticas de los rayos de luz generados
El OPO es el sistema físico más utilizado para generar estados coherentes comprimidos y estados de luz entrelazados en el régimen de variables continuas. Se realizaron muchas demostraciones de protocolos de información cuántica para variables continuas utilizando OPO.
El proceso de conversión descendente realmente ocurre en el régimen de fotón único: cada fotón de bombeo que se aniquila dentro de la cavidad da lugar a un par de fotones en los modos de señal e intracavidad inactiva. Esto conduce a una correlación cuántica entre las intensidades de la señal y los campos inactivos, de modo que hay compresión en la resta de intensidades, lo que motivó el nombre de "haces gemelos" para los campos convertidos a la baja. El nivel de compresión más alto alcanzado hasta la fecha es de 12,7 dB.
Resulta que las fases de los haces gemelos también están correlacionadas cuánticamente, lo que lleva al entrelazamiento , predicho teóricamente en 1988. Por debajo del umbral, el entrelazamiento se midió por primera vez en 1992 y en 2005 por encima del umbral.
Por encima del umbral, el agotamiento del haz de bombeo lo hace sensible a los fenómenos cuánticos que ocurren dentro del cristal. La primera medición de compresión en el campo de la bomba después de la interacción paramétrica se realizó en 1997. Recientemente se predijo que los tres campos (bomba, señal y marcha lenta) deben estar entrelazados, una predicción que fue demostrada experimentalmente por el mismo grupo.
No solo la intensidad y la fase de los haces gemelos comparten correlaciones cuánticas, sino que también comparten sus modos espaciales. Esta característica podría usarse para mejorar la relación señal / ruido en sistemas de imagen y, por lo tanto, superar el límite cuántico estándar (o el límite de ruido de disparo) para la obtención de imágenes.
Aplicaciones
El OPO se está empleando hoy en día como una fuente de luz comprimida sintonizada con transiciones atómicas, con el fin de estudiar cómo interactúan los átomos con la luz comprimida.
También se demostró recientemente que una OPO degenerada se puede utilizar como un generador de números aleatorios cuánticos totalmente óptico que no requiere procesamiento posterior.
Ver también
Referencias
enlaces externos
Artículos sobre OPO
- [1] Enciclopedia de física y tecnología láser