Spontaneous parametric down-conversion sources for generation of atom-resonant quantum light
Authors:   , Zielińska Joanna Ada 
Published: October 2023

This thesis studies different designs of optical parametric oscillators as sources of atom-resonant quantum light resonant with the rubidium D1 line.We analyze the mode structure and filtering techniques in a conventional OPO based on a crystal inside a ring cavity. We also present a first fully-tunable design of a monolithic doubly-resonant OPO.
The first part presents the study of a multimode optical parametric oscillator from the theoretical point of view, calculating a multimode Bogoliubov transformation and a time-domain intensity correlation function. Next, we experimentally observe signatures of multi- and singlemode OPO output in pairwise time-of-arrival correlations of the generated photons, achieved thanks to Faraday anomalous dispersion filtering technique based on optical properties of atomic vapor in magnetic field.
The second, more extensive part of the thesis features the study of a new design of the OPO, a monolithic cavity (crystal polished and coated so that it forms a cavity) that allows full tunability even in a multiply resonant configuration. The architecture we propose combines the advantages of a conventional ring cavity based OPO, with robustness, lowmaintenance, compactness and stability characteristic of monolithic systems. The tunability of the doubly-resonant monolithic OPO is realized by maintaining different sections of the crystal at different temperatures and pressing it with a piezoelectric actuator. The tuning method is tested when the system is employed as a second harmonic generator. In addition, we describe a new nonlinear effect that comes into play when the monolithic cavity is pumped with 795 nm light. The phenomenon,that we call a photo-Kerr effect causes the cavity behavior resembling optical bistability due to Kerr nonlinearity, but with the magnitude (Kerr coefficient) dependent on the long-time average of intra-cavity power. The model we propose agrees well with the experimental results. The effect simplifies greatly the cavity stabilization, causing the cavity to maintain itself close to resonance even as the laser wavelength is changed by more than a free spectral range. The thesis concludes by studying the suitability of the monolithic cavity with the photo-Kerr effect for squeezed light generation. We test the monolithic cavity as an OPO and demonstrate 1.6 dB of quadrature squeezing via homodyne detection.

Esta tesis estudia diferentes diseños de osciladores paramétricos (OPO, por sus signas en inglés) como fuentes de luz cuántica resonante con la línea D1 de átomos de rubidio. Analizamos la estructura de modos y las técnicas de filtrado en un oscilador paramétrico convencional basado en un cristal no lineal dentro de una cavidad. También presentamos el primer diseño de un OPO monolítico con dos resonancias con frecuencias ajustables. La primera parte de la tesis presenta el estudio de un oscilador paramétrico multimodo desde el punto de vista teórico, calculando una transformación de Bogoliubov multimodo y una función de correlación temporal de intensidad. A continuación, se observan experimentalmente las señales de la emisión de OPO multimodo o de un solo modo en correlaciones de tiempo de llegada de pares de los fotones generados, obtenidos gracias a la técnica de filtración de dispersión anómala de Faraday basada en las propiedades ópticas del vapor atómico en campo magnético. La segunda y más extensa parte de la tesis presenta el estudio de un nuevo diseño del OPO: una cavidad monolítica (cristal pulido y recubierto de tal manera que forma una cavidad) que permite ajustar las frecuencias de resonancia, incluso en una configuración multi-resonante. La arquitectura que proponemos combina las ventajas de una OPO convencional basada en una cavidad afuera de cristal, con robustez, bajo mantenimiento, compacidad y estabilidad característica de los sistemas monolíticos. La ajustibilidad del OPO monolítico con doble resonancia se realiza manteniendo diferentes secciones del cristal a diferentes temperaturas y presionándolo con un element piezoeléctrico. El método de afinación es sometido a prueba cuando el sistema se emplea como generador de segundo armónico. Además, describimos un nuevo efecto no lineal que entra en juego cuando la cavidad monolítica se bombea con luz 795 nm. El fenómeno que denominamos efecto photo-Kerr provoca que el comportamiento de la cavidad se asemeje a la biestabilidad óptica debido a la no linealidad de Kerr, pero con la magnitud (coeficiente de Kerr) dependiente del promedio de tiempo largo de la potencia de la luz dentro de la cavidad. El modelo numérico que proponemos coincide con los resultados experimentales. El efecto simplifica en gran medida la estabilización de la cavidad, hacienda que ésta se mantenga cerca de la resonancia incluso cuando la longitud de onda del láser cambia en más de la distancia entre dos resonancias consecutivas. La tesis concluye estudiando la idoneidad de la cavidad monolítica con el efecto photo-Kerr para la generación de luz comprimida. Se emplea la cavidad monolítica como oscilador paramétrico, obteniando luz comprimida y se demuestra 1.6 dB de squeezing mediante detección homodina.