광파라메트릭 발진기

광파라메트릭 발진기(Optical parametric oscillator, OPO)는 광학 주파수에서 발진하는 파라메트릭 발진기이다. 주파수 를 가진 입력 레이저 파동("펌프"라고 함)을 2차 비선형 광학 상호작용을 통해 더 낮은 주파수()의 두 출력 파동으로 변환한다. 출력 파동의 주파수 합은 입력 파동 주파수와 같다: . 역사적인 이유로, 두 출력 파동은 "시그널"과 "아이들러"라고 불리며, 더 높은 주파수를 가진 출력 파동이 "시그널"이다. 특수한 경우로, 퇴화 OPO는 출력 주파수가 펌프 주파수의 절반, 즉 인 경우로, 시그널과 아이들러가 동일한 편광을 가질 때 하프-고조파 생성을 일으킬 수 있다.

최초의 광파라메트릭 발진기는 1965년 조지프 A. 지오드메인과 로버트 C. 밀러에 의해 벨 연구소에서 레이저 발명 5년 후 시연되었다. 광파라메트릭 발진기는 다양한 과학적 목적을 위한 결맞는 빛원 및 양자 역학 연구를 위한 압착된 빛을 생성하는 데 사용된다. 1965년에 소련 보고서도 발표되었다.Akhmanov SA, Kovrigin AI, Piskarskas AS, Fadeev VV, Khokhlov RV, Observation of  parametric  amplification  in  the optical range, JETP Letters 2, No.7, 191-193 (1965).

개요

OPO는 기본적으로 광공진기와 비선형 광학 결정으로 구성된다. 광공진기는 시그널 및 아이들러 파동 중 적어도 하나를 공진시키는 역할을 한다. 비선형 광학 결정에서는 펌프, 시그널 및 아이들러 파동이 중첩된다. 이 세 파동 간의 상호작용은 시그널 및 아이들러 파동에 대한 진폭 이득(파라메트릭 증폭)과 그에 상응하는 펌프 파동의 감쇠를 초래한다. 이득은 공진 파동(시그널 또는 아이들러 또는 둘 다)이 공진기에서 발진하도록 하여, 각 왕복에서 공진 파동이 겪는 손실을 보상한다. 이 손실에는 공진기 거울 중 하나에 의한 외부 결합으로 인한 손실이 포함되며, 이는 원하는 출력 파동을 제공한다. (상대적인) 손실은 펌프 출력과 무관하지만 이득은 펌프 출력에 따라 달라지므로, 낮은 펌프 출력에서는 발진을 유지하기에 충분한 이득이 없다. 발진은 펌프 출력이 임계값을 초과할 때만 발생한다. 임계값 이상에서는 이득 또한 공진 파동의 진폭에 따라 달라진다. 따라서 정상 상태 작동에서 공진 파동의 진폭은 이 이득이 (일정한) 손실과 같다는 조건에 의해 결정된다. 순환 진폭은 펌프 출력이 증가함에 따라 증가하며, 출력 출력도 마찬가지이다.

광자 변환 효율, 즉 OPO에 단위 시간당 입사되는 펌프 광자 수에 대한 출력 시그널 또는 아이들러 파동의 단위 시간당 출력 광자 수는 수십 퍼센트 범위로 높을 수 있다. 일반적인 임계 펌프 출력은 수십 밀리왓트에서 수 왓트 사이이며, 이는 공진기의 손실, 상호작용하는 빛의 주파수, 비선형 물질 내의 강도 및 그 비선형성에 따라 달라진다. 수 왓트의 출력 출력을 얻을 수 있다.
연속파 및 펄스 OPO가 모두 존재한다. 후자는 구축하기가 더 쉬운데, 고강도가 단지 짧은 시간 동안만 지속되어 비선형 광학 물질과 거울에 연속적인 고강도보다 적은 손상을 입히기 때문이다.

광파라메트릭 발진기에서 초기 아이들러 및 시그널 파동은 항상 존재하는 배경 파동에서 얻어진다. 아이들러 파동이 펌프 빔과 함께 외부에서 주어지면 이 과정은 차이 주파수 생성 (DFG)이라고 불린다. 이는 광학 파라메트릭 발진보다 더 효율적인 과정이며, 원칙적으로 임계값이 없을 수 있다.

출력 파동 주파수를 변경하려면 펌프 주파수 또는 비선형 광학 결정의 위상 정합 속성을 변경할 수 있다. 후자는 온도 또는 방향 또는 준위상 정합 주기를 변경함으로써 달성된다 (아래 참조). 미세 조정의 경우 공진기의 광경로 길이도 변경할 수 있다. 또한 공진기에는 공진 파동의 모드 홉을 억제하는 요소가 포함될 수 있다. 이는 종종 OPO 시스템의 일부 요소에 대한 능동적인 제어를 필요로 한다.

비선형 광학 결정이 위상 정합될 수 없는 경우, 준위상 정합 (QPM)을 사용할 수 있다. 이는 결정의 비선형 광학 특성을 주기적으로 변경함으로써 달성되며, 주로 주기적 분극화를 통해 이루어진다. 적절한 주기 범위로, 주기적으로 분극화된 리튬 나이오베이트 (PPLN)에서 700 nm에서 5000 nm까지의 출력 파장을 생성할 수 있다. 일반적인 펌프원은 1064 nm 또는 532 nm의 네오디뮴 레이저이다.

OPO의 중요한 특징은 생성된 복사선의 결맞음과 스펙트럼 폭이다.
펌프 출력이 임계값보다 훨씬 높을 때, 두 출력 파동은 매우 좋은 근사치로 결맞는 상태 (레이저와 같은 파동)이다. 공진된 파동의 선폭은 매우 좁다 (수 kHz까지 낮다). 좁은 선폭의 펌프 파동이 사용되면 공진되지 않은 생성 파동도 좁은 선폭을 나타낸다. 좁은 선폭 OPO는 분광학에서 널리 사용된다.

생성된 광 빔의 양자적 특성
섬네일|300 px|오른쪽|OPO 내의 KTP 결정
OPO는 연속 변수 영역에서 압착된 결맞는 상태와 얽힌 빛 상태를 생성하는 데 가장 널리 사용되는 물리 시스템이다. 연속 변수에 대한 많은 양자 정보 프로토콜 시연이 OPO를 사용하여 실현되었다.5

하향 변환 과정은 실제로 단일 광자 영역에서 발생한다. 즉, 캐비티 내부에서 소멸되는 각 펌프 광자는 시그널 및 아이들러 공동 내 모드에서 한 쌍의 광자를 생성한다. 이는 시그널 및 아이들러 필드의 강도 사이에 양자 상관관계를 유도하여 강도 빼기에서 압착이 발생하게 되며, 이로 인해 하향 변환된 필드를 "트윈 빔"이라고 부르게 되었다. 현재까지 달성된 가장 높은 압착 수준은 12.7 dB이다.

트윈 빔의 위상 또한 양자 상관관계를 가지며, 이는 1988년에 이론적으로 예측된 양자 얽힘으로 이어진다. 임계값 미만에서 얽힘은 1992년에 처음 측정되었고, 임계값 이상에서는 2005년에 측정되었다.

임계값 이상에서는 펌프 빔 고갈이 결정 내부에서 발생하는 양자 현상에 민감하게 만든다. 파라메트릭 상호작용 후 펌프 필드에서 압착을 처음으로 측정한 것은 1997년에 이루어졌다.
최근에는 세 가지 필드(펌프, 시그널, 아이들러) 모두가 얽혀야 한다고 예측되었으며, 이는 동일한 그룹에 의해 실험적으로 시연되었다.

트윈 빔의 강도와 위상뿐만 아니라 공간 모드도 양자 상관관계를 공유한다. 이 특징은 영상 시스템에서 신호 대 잡음비를 향상시켜 영상에 대한 표준 양자 한계 (또는 푸아송 잡음 한계)를 초과하는 데 사용될 수 있다.

응용

OPO는 오늘날 원자들이 압착된 빛과 상호작용하는 방식을 연구하기 위해 원자 전이에 맞춰 압착된 빛의 광원으로 사용되고 있다.

또한 최근에는 퇴화 OPO가 후처리 없이 모든 광학 양자 하드웨어 난수 발생기로 사용될 수 있음이 입증되었다.

 같이 보기 
 비선형 광학
 광학 파라메트릭 증폭기

 각주 

 외부 링크 
OPO에 대한 기사
  레이저 물리학 및 기술 백과사전

분류:비선형 광학
분류:레이저 응용