光參量振盪器

紅外光參量振盪器

光參量振盪器（英語：Optical Parametric Oscillator）是一個振盪在光學頻率的參量振盪器。它將輸入的頻率為$\omega _{p}$的激光（所謂的泵浦光），通過二階非線性光學相互作用，轉換成兩個的頻率較低的輸出光（信號光$\omega _{s}$和閒頻光$\omega _{i}$），兩個輸出光的頻率之和等於輸入光頻率：$\omega _{s}+\omega _{i}=\omega _{p}$。 由於歷史的原因，兩個輸出光被稱為「信號光」和「閒頻光」，其輸出波較高頻率的「信號」。一個特殊情況下的簡併的光參量振盪器$\omega _{s}=\omega _{i}={\frac {\omega _{p}}{2}}$，恰好輸出頻率為的泵浦光的頻率的一半，這可能導致在半諧產生的時候「信號光」和「閒頻光」有相同的偏振。

第一個光參振盪器是在1965年，激光發明的五年之後，由貝爾實驗室的Joseph Giordmaine和Bob Miller於1965年展示的。 光參量振盪器被用作相干光源用於各種科學目的，以及產生光的壓縮態的量子力學研究。另一份來自蘇聯的研究成果也是發表於1965年。

概論

光參量振盪器主要包含兩個關鍵部分：一個光學諧振腔和一個非線性光學晶體。光學諧振腔主要用於和兩個輸出光中的至少一者相共振。在非線性光學晶體中，泵浦光，信號光和閒頻光相互重合。三個不同頻率光的相互作用導致信號光波和閒頻光波的幅度增益（參量放大）和與之相對應的泵浦光幅度衰減。增益使得共振光波（信號光或閒頻光或兩者同時）在諧振腔中振盪，補償了共振光波在來回振盪中的損耗。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無關，但是增益卻依賴於泵浦光強，所以，在低的泵浦功率下，不足的增益不足以去支持振盪。只有當泵浦功率達到一個特定的閾值，振盪才會發生。高於閾值功率時，增益也依賴與共振光波的幅度。因此，在穩態工作時，共振光波的幅度取決於增益和損耗（一個常值）相等時的狀態。共振光波的幅度和輸出光波的強度都隨着泵浦光強的增加而增加。

光子的轉換效率，單位時間內輸出光（信號光或閒頻光）的光子數除以輸入的泵浦光光子數，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在幾十個毫瓦到幾個瓦特的量級，取決於諧振腔的損耗，相互作用的光波頻率，非線性材料內的光的功率密度，以及材料的非線性係數。幾瓦的輸出光強是可以實現的。連續波和脈衝的光參量振盪器都是存在的。後者更容易搭建，因為高光強只持續在一秒中的很小一部分，對於非線性材料和諧振腔的損傷都要小於連續的高強度光波。  

在光參數振盪器中，最初的閒頻光和信號光是從背景波中產生的，這是總是存在的。 如果閒頻波是沿着泵浦光波一起來源於外部，那麼該過程被稱為 差異頻率產生 (different frequency generation, DFG)。 這是一個比光參量振盪更高效的流程，並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晶體。 後者是通過改變非線性晶體的溫度或方向或准相位匹配的周期來實現的(見下文)。 為了更精細的調製，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構。 這往往需要動態控制光參量振盪系統中的部分結構。

如果非線性光學晶不能相位匹配，准相匹配 (准相位匹配的)可以被採用。這是通過周期性地變化非線性晶體的光學性質，主要是通過周期性極化的。 用一個合適範圍的多個周期，可以在周期性極化的鈮酸鋰晶體(PPLN)中產生輸出波長在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。

光參量振盪器的一個重要特徵是可以產生相干且具有很寬光譜範圍的激光。當泵浦光強顯著高於閾值時，兩個輸出光波是非常接近於相干態的。共振光波的線寬非常窄（只有幾個kHz）。如果泵浦光也採用一個窄線寬光源，則另一路非共振的輸出光波也會是窄線寬的。現在，窄線寬的光參量振盪器在光譜學中被廣泛應用。

產生光束的量子性質

光參量振盪器中的KTP晶體

光參量振盪器是目前用於產生連續可調的壓縮相干態和糾纏態激光的最為廣泛使用的物理系統。很多連續可變的光量子信息機制的演示都使用光參量振盪器。

下轉換過程在單光子機制下確實存在：每一個在諧振腔中消失的泵浦光子都在諧振腔內轉換成了一對信號光和閒頻光光子。這導致了信號光和閒頻光光場強度的量子相關，這其中就有光場減弱中的壓縮， 由此產生了下轉換領域中「孿生光束」的說法。目前獲得的最高的壓縮水平達到了12.7 dB。

1988年，理論上預言了孿生光束的相位也是量子相關的，可以導致糾纏。 分別於1992年和2005年，低於和高於閾值的產生的量子糾纏被第一次測量。

當高於閾值時，晶體內部由於泵浦光的消耗，使得其對量子現象十分敏感。1997年，對參量相互作用之後的泵浦光場的壓縮被第一次測量。 最近，又發表了三個光場（泵浦，信號和閒頻）必然是相互糾纏的預言， 並被同一個課題組的實驗所驗證。

不僅是孿生光束的強度和相位，同時包括他們的自旋模式都是量子相關的。 這一特性可以被用於增強成像系統中的信噪比甚至超越成像中標準的量子極限（散粒噪聲極限）.

應用

現在光參量振盪器被用於產生調製到原子躍遷頻率的光的壓縮態的光源，來研究原子如何和壓縮態的光發生相互作用

最近還有研究表明，簡併的光參量振盪器可以被用作一個不需要後處理的全光量子 隨機數發生器 。

參見

• 非線性光學
• 光參量放大器

外部連結

• Denis D.Arslanov; et al. Continuous-wave optical parametric oscillator based infrared spectroscopy for sensitive molecular gas sensing. Laser Photonics Review. 2013, 7: 188–206 [2018-01-23]. doi:10.1002/lpor.201100036. （原始內容存檔於2018-01-23）.