Un oscilador óptico paramétrico ( 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 las ondas 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, lo que puede resultar en una generación de semiarmónicos cuando la señal y el inactivo tienen la misma polarización.
El primer oscilador óptico paramétrico 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 ópticos paramétricos 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, señal y ralentí se superponen. La interacción entre estas tres ondas conduce a una ganancia de amplitud para la señal y las ondas inactivas (amplificación paramétrica) y una correspondiente deamplificación de la onda de bombeo. La ganancia permite que las ondas resonantes (señal o inactiva o ambas) oscilen en el resonador, compensando la pérdida que experimentan las ondas resonantes en cada viaje de ida y vuelta. Esta pérdida incluye la pérdida debida al desacople 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 baja potencia de la bomba no hay ganancia suficiente para soportar la oscilación. La oscilación ocurre sólo cuando la potencia de la bomba excede un umbral. Por encima del umbral, la ganancia depende también de la amplitud de la onda resonante. Por lo 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 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 bomba incidentes por unidad de tiempo en el OPO, puede ser alta, en el rango de decenas de por ciento. La potencia umbral típica de la bomba está entre decenas de milivatios y varios vatios, dependiendo de las pérdidas del resonador, las frecuencias de la luz que interactúa, la intensidad del material no lineal y su no linealidad. Se puede alcanzar 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 sólo 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 óptico paramétrico, las ondas inicial y de señal se toman de las ondas de fondo, que siempre están presentes. Si la onda loca se genera desde el exterior junto con el haz 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 no tener umbral.
Para cambiar las frecuencias de las ondas de salida, se puede cambiar la frecuencia de bombeo o las propiedades de coincidencia de fases del cristal óptico no lineal. Esto último se logra cambiando su temperatura u orientación o período de casi coincidencia de fases (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 suele requerir un control activo de algún elemento del sistema OPO.
Si no se puede hacer coincidir la fase del cristal óptico no lineal, se puede emplear la coincidencia de fase cuasi (QPM). Esto se logra cambiando 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 periódicamente polarizado (PPLN). Las fuentes de bombeo comunes 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 la bomba está significativamente por encima del umbral, las dos ondas de salida son, con una muy buena aproximación, estados coherentes (ondas tipo láser). El ancho de línea de la onda resonante es muy estrecho (tan bajo como varios kHz). La onda generada no resonante también presenta 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 de luz entrelazados en el régimen de variables continuas. Se realizaron muchas demostraciones de protocolos de información cuántica para variables continuas utilizando OPO. [5] [6]
El proceso de conversión descendente realmente ocurre en el régimen de fotón único: cada fotón de bomba que se aniquila dentro de la cavidad da lugar a un par de fotones en los modos de señal y intracavidad inactiva. Esto conduce a una correlación cuántica entre las intensidades de la señal y los campos inactivos, de modo que se produce una reducción en la resta de intensidades, [7] lo que motivó el nombre de "haces gemelos" para los campos convertidos hacia abajo. 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 lleva 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, el agotamiento del haz de bombeo lo hace sensible a los fenómenos cuánticos que ocurren dentro del cristal. La primera medición de la compresión en el campo de la bomba después de la interacción paramétrica se realizó en 1997. [12] Recientemente se predijo que los tres campos (bomba, señal y rueda loca) 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 usarse para mejorar la relación señal-ruido en sistemas de imágenes y, por lo tanto, superar el límite cuántico estándar (o el límite de ruido de disparo) para imágenes. [dieciséis]
El OPO se utiliza hoy en día como fuente de luz comprimida sintonizada con las transiciones atómicas, para estudiar cómo interactúan los átomos con la luz comprimida. [17]
También se ha demostrado recientemente que una OPO degenerada se puede utilizar como un generador de números aleatorios cuánticos totalmente óptico que no requiere posprocesamiento. [18]
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