[科普中國]-光參量振蕩器

光參量振蕩器（英語：Optical Parametric Oscillator）是一個振蕩在光學(xué)頻率的參量振蕩器。它將輸入的激光（所謂的泵浦光），通過二階非線性光學(xué)相互作用，轉(zhuǎn)換成兩個的頻率較低的輸出光（信號光和閑頻光），兩個輸出光的頻率之和等于輸入光頻。

簡介光參量振蕩器（英語：Optical Parametric Oscillator）是一個振蕩在光學(xué)頻率的參量振蕩器。它將輸入的頻率為的激光（所謂的泵浦光），通過二階非線性光學(xué)相互作用，轉(zhuǎn)換成兩個的頻率較低的輸出光（信號光和閑頻光），兩個輸出光的頻率之和等于輸入光頻率：。 由于歷史的原因，兩個輸出光被稱為“信號光”和“閑頻”，其輸出波較高頻率的“信號”。一個特殊情況下的簡并的光參量振蕩器，恰好輸出頻率為的泵浦光的頻率的一半，這可能導(dǎo)致在半諧產(chǎn)生的時候“信號光”和“閑頻光”有相同的偏振。

第一個光參振蕩器是在1965年，激光發(fā)明的五年之后，由貝爾實驗室的Joseph Giordmaine和Bob Miller于1965年展示的。光參量振蕩器被用作相干光源用于各種科學(xué)目的，以及產(chǎn)生光的壓縮態(tài)的量子力學(xué)研究。另一份來自蘇聯(lián)的研究成果也是發(fā)表于1965年。1

概論光參量振蕩器主要包含兩個關(guān)鍵部分：一個光學(xué)諧振腔和一個非線性光學(xué)晶體。光學(xué)諧振腔主要用于和兩個輸出光中的至少一者相共振。在非線性光學(xué)晶體中，泵浦光，信號光和閑頻光相互重合。三個不同頻率光的相互作用導(dǎo)致信號光波和閑頻光波的幅度增益（參量放大）和與之相對應(yīng)的泵浦光幅度衰減。增益使得共振光波（信號光或閑頻光或兩者同時）在諧振腔中振蕩，補(bǔ)償了共振光波在來回振蕩中的損耗。損耗包括引出想要的輸出光波的輸出耦合鏡帶來的損耗。因為損耗和泵浦光強(qiáng)無關(guān)，但是增益卻依賴于泵浦光強(qiáng)，所以，在低的泵浦功率下，不足的增益不足以去支持振蕩。只有當(dāng)泵浦功率達(dá)到一個特定的閾值，振蕩才會發(fā)生。高于閾值功率時，增益也依賴與共振光波的幅度。因此，在穩(wěn)態(tài)工作時，共振光波的幅度取決于增益和損耗（一個常值）相等時的狀態(tài)。共振光波的幅度和輸出光波的強(qiáng)度都隨著泵浦光強(qiáng)的增加而增加。

光子的轉(zhuǎn)換效率，單位時間內(nèi)輸出光（信號光或閑頻光）的光子數(shù)除以輸入的泵浦光光子數(shù)，可能很高，在幾十個的百分比的量級上。 典型的閾值泵浦光強(qiáng)在幾十個毫瓦到幾個瓦特的量級，取決于諧振腔的損耗，相互作用的光波頻率，非線性材料內(nèi)的光的功率密度，以及材料的非線性系數(shù)。幾瓦的輸出光強(qiáng)是可以實現(xiàn)的。連續(xù)波和脈沖的光參量振蕩器都是存在的。后者更容易搭建，因為高光強(qiáng)只持續(xù)在一秒中的很小一部分，對于非線性材料和諧振腔的損傷都要小于連續(xù)的高強(qiáng)度光波。

在光參數(shù)振蕩器中，最初的閑頻光和信號光是從背景波中產(chǎn)生的，這是總是存在的。 如果閑頻波是沿著泵浦光波一起來源于外部，那么該過程被稱為 差異頻率產(chǎn)生 (different frequency generation, DFG)。 這是一個比光參量振蕩更高效的流程，并且在原則上可以是無閾值的。

為了改變輸出光波的頻率，可以改變泵頻率或是相位匹配特性的非線性光學(xué)晶體。 后者是通過改變非線性晶體的溫度或方向或準(zhǔn)相位匹配的周期來實現(xiàn)的(見下文)。 為了更精細(xì)的調(diào)制，也可以改變諧振腔的光程。 此外，諧振腔可能含有抑制共振光波模式跳躍的結(jié)構(gòu)。 這往往需要動態(tài)控制光參量振蕩系統(tǒng)中的部分結(jié)構(gòu)。

如果非線性光學(xué)晶不能相位匹配，準(zhǔn)相匹配(準(zhǔn)相位匹配的)可以被采用。這是通過周期性地變化非線性晶體的光學(xué)性質(zhì)，主要是通過周期性極化的。 用一個合適范圍的多個周期，可以在周期性極化的鈮酸鋰晶體(PPLN)中產(chǎn)生輸出波長在700納米至5000納米的輸出光波. 常見的泵浦光源是1064 nm 或532 nm的摻釹釔鋁石榴石激光器。

光參量振蕩器的一個重要特征是可以產(chǎn)生相干且具有很寬光譜范圍的激光。當(dāng)泵浦光強(qiáng)顯著高于閾值時，兩個輸出光波是非常接近于相干態(tài)的。共振光波的線寬非常窄（只有幾個kHz）。如果泵浦光也采用一個窄線寬光源，則另一路非共振的輸出光波也會是窄線寬的?，F(xiàn)在，窄線寬的光參量振蕩器在光譜學(xué)中被廣泛應(yīng)用。1

產(chǎn)生光束的量子性質(zhì)光參量振蕩器是目前用于產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的壓縮相干態(tài)和糾纏態(tài)激光的最為廣泛使用的物理系統(tǒng)。很多連續(xù)可變的光量子信息機(jī)制的演示都使用光參量振蕩器。

下轉(zhuǎn)換過程在單光子機(jī)制下確實存在：每一個在諧振腔中消失的泵浦光子都在諧振腔內(nèi)轉(zhuǎn)換成了一對信號光和閑頻光光子。這導(dǎo)致了信號光和閑頻光光場強(qiáng)度的量子相關(guān)，這其中就有光場減弱中的壓縮，由此產(chǎn)生了下轉(zhuǎn)換領(lǐng)域中“孿生光束”的說法。目前獲得的最高的壓縮水平達(dá)到了12.7 dB。

1988年，理論上預(yù)言了孿生光束的相位也是量子相關(guān)的，可以導(dǎo)致糾纏。分別于1992年和2005年，低于和高于閾值的產(chǎn)生的量子糾纏被第一次測量。

當(dāng)高于閾值時，晶體內(nèi)部由于泵浦光的消耗，使得其對量子現(xiàn)象十分敏感。1997年，對參量相互作用之后的泵浦光場的壓縮被第一次測量。最近，又發(fā)表了三個光場（泵浦，信號和閑頻）必然是相互糾纏的預(yù)言，并被同一個課題組的實驗所驗證。

不僅是孿生光束的強(qiáng)度和相位，同時包括他們的自旋模式都是量子相關(guān)的。這一特性可以被用于增強(qiáng)成像系統(tǒng)中的信噪比甚至超越成像中標(biāo)準(zhǔn)的量子極限（散粒噪聲極限）。1

應(yīng)用現(xiàn)在光參量振蕩器被用于產(chǎn)生調(diào)制到原子躍遷頻率的光的壓縮態(tài)的光源，來研究原子如何和壓縮態(tài)的光發(fā)生相互作用

最近還有研究表明，簡并的光參量振蕩器可以被用作一個不需要后處理的全光量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。2

參見非線性光學(xué)

光參量放大器

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

方正 - 副教授 - 江南大學(xué)