Oscilador paramétrico óptico

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 frecuencia más baja ( ) 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: . ^[1] 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, , que puede dar como resultado la generación de semiarmónicos cuando la señal y la inactiva tienen la misma polarización.${\displaystyle \omega _{p}}$${\displaystyle \omega_{s},\omega_{i}}$ ${\displaystyle \omega _{s}+\omega _{i}=\omega _{p}}$${\displaystyle \omega _{s}=\omega _{i}=\omega _{p}/2}$

El primer oscilador paramétrico óptico fue demostrado por Joseph A. Giordmaine y Robert C. Miller en 1965, ^[2] cinco años después de la invención del láser, en los Laboratorios Bell. Los osciladores paramétricos ópticos se utilizan como fuentes de luz coherente para diversos fines científicos y para generar luz comprimida para la investigación de la mecánica cuántica. También se publicó un informe soviético en 1965. ^[3]

El OPO consta esencialmente de 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 reposo. En el cristal óptico no lineal, las ondas de bombeo, de señal y de reposo se superponen. La interacción entre estas tres ondas produce una ganancia de amplitud para las ondas de señal y de reposo (amplificación paramétrica) y una desamplificación correspondiente de la onda de bombeo. La ganancia permite que la(s) onda(s) resonante(s) (señal o de reposo o ambas) oscilen en el resonador, compensando la pérdida que la(s) onda(s) resonante(s) experimenta(n) en cada viaje de ida y vuelta. Esta pérdida incluye la pérdida debida al desacoplamiento por uno de los espejos del resonador, que proporciona la onda de salida deseada. Dado que la pérdida (relativa) es independiente de la potencia de bombeo, pero la ganancia depende de la potencia de bombeo, a baja potencia de bombeo no hay suficiente ganancia para soportar la oscilación. La oscilación se produce solo cuando la potencia de bombeo supera un umbral. Por encima del umbral, la ganancia depende también de la amplitud de la onda resonante. Por tanto, en funcionamiento en estado estacionario, la amplitud de la onda resonante está determinada por la condición de que esta ganancia sea igual a la pérdida (constante). La amplitud circulante aumenta con el aumento de la potencia de la bomba, y lo mismo ocurre con la potencia de salida.

La eficiencia de conversión de fotones, es decir, la cantidad de fotones de salida por unidad de tiempo en la señal de salida u onda inactiva en relación con la cantidad de fotones de bombeo que inciden por unidad de tiempo en el OPO, puede ser alta, del orden de decenas de por ciento. La potencia de bombeo umbral típica oscila entre decenas de milivatios y 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 puede lograr una potencia de salida de varios vatios. Existen OPO tanto de onda continua como pulsados . Estos últimos son más fáciles de construir, ya que la alta intensidad dura solo una pequeña fracción de segundo, lo que daña menos el material óptico no lineal y los espejos que una alta intensidad continua.

En el oscilador paramétrico óptico, las ondas de señal y de reposo iniciales se toman de las ondas de fondo, que siempre están presentes. Si la onda de reposo se genera desde el exterior junto con el haz de bombeo, el proceso se denomina generación de frecuencia diferencial (DFG). Este es un proceso más eficiente que la oscilación paramétrica óptica y, en principio, puede no tener umbral.

Para cambiar las frecuencias de las ondas de salida, se puede cambiar la frecuencia de bombeo o las propiedades de adaptación de fase del cristal óptico no lineal. Esto último se logra modificando su temperatura, orientación o período de adaptación de fase (véase más abajo). Para realizar un ajuste fino, también se puede cambiar la longitud del recorrido óptico del resonador. Además, el resonador puede contener elementos para suprimir los saltos de modo de la onda resonante. Esto a menudo requiere el control activo de algún elemento del sistema OPO.

Si no es posible realizar la adaptación de fase del cristal óptico no lineal, se puede emplear la adaptación de fase cuasi (QPM). Esto se logra modificando periódicamente las propiedades ópticas no lineales del cristal, principalmente mediante polarización periódica . Con un rango adecuado de períodos, se pueden generar longitudes de onda de salida de 700 nm a 5000 nm en niobato de litio con polarización periódica (PPLN). Las fuentes de bombeo habituales son los láseres de neodimio a 1064 nm o 532 nm.

Una característica importante del OPO es la coherencia y el ancho espectral de la radiación generada. Cuando la potencia de bombeo es significativamente superior al umbral, las dos ondas de salida son, en una muy buena aproximación, estados coherentes (ondas similares a las del láser). El ancho de línea de la onda resonante es muy estrecho (hasta varios kHz). La onda generada no resonante 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. ^[4]

El OPO es el sistema físico más utilizado para generar estados coherentes comprimidos y estados entrelazados de luz en el régimen de variables continuas. Se han realizado numerosas demostraciones de protocolos de información cuántica para variables continuas utilizando OPO. ^{[5] [6]}

El proceso de conversión descendente ocurre realmente 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 intracavidad de señal e inactivo. Esto conduce a una correlación cuántica entre las intensidades de los campos de señal e inactivo, de modo que hay compresión en la sustracción de intensidades, ^[7] lo que motivó el nombre de "haces gemelos" para los campos convertidos descendentemente. El nivel de compresión más alto alcanzado hasta la fecha es de 12,7 dB. ^[8]

Resulta que las fases de los haces gemelos también están correlacionadas cuánticamente, lo que conduce al entrelazamiento , predicho teóricamente en 1988. ^[9] Por debajo del umbral, el entrelazamiento se midió por primera vez en 1992, ^[10] y en 2005 por encima del umbral. ^[11]

Por encima del umbral, la disminución 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 bombeo después de la interacción paramétrica se realizó en 1997. ^[12] Recientemente se ha predicho que los tres campos (bombeo, señal y campo inactivo) deben estar entrelazados, ^[13] una predicción que fue demostrada experimentalmente por el mismo grupo. ^[14]

No sólo la intensidad y la fase de los haces gemelos comparten correlaciones cuánticas, sino también sus modos espaciales. ^[15] Esta característica podría utilizarse para mejorar la relación señal/ruido en los sistemas de imágenes y, por lo tanto, superar el límite cuántico estándar (o el límite de ruido de disparo) para la obtención de imágenes. ^[16]

El OPO se utiliza actualmente como una fuente de luz comprimida adaptada a las transiciones atómicas, con el fin de estudiar cómo interactúan los átomos con la luz comprimida. ^[17]

También se ha demostrado recientemente que un OPO degenerado se puede utilizar como un generador de números aleatorios cuánticos totalmente óptico que no requiere posprocesamiento. ^[18]

• Óptica no lineal
• Amplificador paramétrico óptico

Artículos sobre las OPO

• [1] Enciclopedia de física y tecnología láser