Управление частотно-угловым спектром бифотонного поля (1102936), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Поэтому в ряде задач, таких как приготовление чистых однофотонных состояний, реализацияквантовой памяти и квантовых повторителей, реализация линейно-оптических квантовых вычислений, требуется бифотонное поле с узким спектром.В то же время в другом ряде задач, таких как приготовление максимально перепутанных двухфотонных состояний, квантовая криптография, квантовая оптическая интерферометрическая литография, квантовая оптическаякогерентная томография и синхронизация удаленных часов, требуется бифотонное поле с широким частотным спектром.
Соответственно, существуютразные методы управления спектром бифотонного поля. Часть из них направлена на создание бифотонного поля с узким спектром, в то время какдругая часть — на приготовление бифотонного поля с широким спектром.Последние также можно разделить на два типа: в первом используются пространственно однородные нелинейные среды, а во втором — неоднородные.В первой главерассматривается внутрирезонаторная генерация бифотонного поля с широким спектром в тонком кристалле.
Идеологическиэто — самый простой метод генерации бифотонного поля с широким спектром. Поскольку спектральная амплитуда бифотонного поля, полученногов результате спонтанного параметрического рассеяния (СПР) [33] в однородном нелинейном кристалле под действием плоской монохроматической волнынакачки, имеет вид[︂]︂√︁ Δ(,⃗) 2, (, ⃗) ∝ ( − ) sinc Δ (, ⃗)2(2)(1)где и ⃗ — частота и поперечная компонента волнового вектора одного из фотонов (частота и поперечная компонента волнового вектора другого фотонабудут равны − и −⃗ ), — частота накачки, (2) — квадратичная восприимчивость среды, — длина нелинейного кристалла, а Δ (, ⃗ ) — фазовая8расстройка.
Из выражения (1) видно, что спектр в первую очередь ограниченраспределением sinc2 [Δ (, ⃗ ) /2] и его ширина определяется условием|Δ (, ⃗)| .2.(2)Поэтому простейший способ получить бифотонное поле с широким спектромможет быть основан на процессе СПР в тонком нелинейном кристалле [15].Однако интегральная интенсивность СПР пропорциональна (2))︀2 , а(︀)︀2спектральная интенсивность — 2 (2) , где — интенсивность накачки [33]. В связи с этим было предложено компенсировать малую длину кристалла за счет увеличения интенсивности накачки. Это можно сделать, поместив кристалл внутрь лазерного резонатора [34]. Схема экспериментальнойустановки показана на рисунке 1.
Кристалл бета-бората бария (BBO) толщи(︀ФДiOiФДpД1ПAr+З1Д2Зsi0,1 ммBBOЗ98%ЗisФДsЗ2OsРис. 1. Схема экспериментальной установки внутрирезонаторной генерации СПР в тонкомкристалле.ной 0,1 мм, вырезанный под коллинеарный вырожденный синхронизм типа Iна длине волны накачки 351 нм, помещался внутрь резонатора аргонового лазера. Входная и выходная грани кристалла были просветлены на длину волны351 нм. Лазерный резонатор состоял из глухих зеркал З1, З2 (коэффициентотражения 99,9%). Призма П, установленная внутри резонатора, обеспечивала генерацию лишь на длине волны 351,1 нм. Регистрация бифотонногополя осуществлялась в неколлинеарном режиме.
Зеркала З и З выводилисигнальный и холостой фотоны из резонатора, после чего они заводились объективами О и O в многомодовые оптические волокна. Далее многомодовыеволокна соединялись с фотодетекторами ФД Excellitas SPCM-14-FC, работающими в режиме счета фотонов, снабженными волоконным входом. Частотная9селекция осуществлялась двумя способами: либо в оба канала устанавливались интерференционные фильтры с шириной 3 нм и центром 702 нм, либоодно из оптических волокон соединялось со спектрографом ИСП-51, в фокальной плокости которого был установлен лавинный фотодиод PerkinElmerC3090E. Фотодетектор ФД регистрировал излучение накачки, отраженноеот выходного окна газоразрядной трубы Ar+ , и позволял следить за мощностью излучения накачки внутри резонатора.Дополнительно в схему можно было установить проходное зеркало З98%(коэффициент отражения 97,8 ± 0,1%) и слегка отстроить зеркало З2.
Тогдарезонатор образовывали зеркала З1 и З98% , а кристалл располагался снаружи резонатора. Таким образом можно было сравнивать интенсивность бифотонного поля при внутрирезонаторной генерации и в стандартной схеме,когда кристалл располагается снаружи резонатора. Зависимости скоростисчета совпадений от мощности накачки внутри резонатора для обеих схем1 0 0 01883±2 Гц/Вт1 0 047,8±0,2 Гц/Вт1 0Кристалл внутри резонатораКристалл снаружи резонатора0 ,00 ,51 ,01 ,52 ,02 ,5Мощность лазера внутри резонатора (Вт)Мощность внутри резонатора (Вт)Скорость счета совпадений (Гц)показаны на рисунке 2 (а).
Обе зависимости хорошо аппроксимируются пряКристалл внутри резонатораКристалл снаружи резонатора1 0864023 03 23 43 63 8Ток разряда (A)4 0(а )(б )Рис. 2. Сравнение внутрирезонаторной схемы (квадраты, соединенные пунктиром) и стандартной, когда кристалл расположен снаружи резонатора (круги, соединенные сплошнойпрямой). (а) Зависимость скорости счета совпадений от мощности накачки внутри резонатора.
(б) Зависимость мощности накачки внутри резонатора от тока разряда.мой пропорциональностью. Полученные в результате аппроксимации тангенсы углов наклона составили 1883 ± 2 Гц/Вт для внутрирезонаторной схемыи 47,8 ± 0,2 Гц/Вт для стандартной схемы. Соответственно, интенсивностьбифотонного поля во внутрирезонаторной схеме получилась в 39, 3 ± 0,5 раз10выше по сравнению со стандартной схемой.Также исследовался вопрос о влиянии кристалла на мощность лазера.Зависимость внутрирезонаторной мощности лазера от тока разряда, протекающего в газоразрядной трубе, показана на рисунке 2 (б).
По рисунку видно,что несмотря на то, что во внутрирезонаторной схеме порог генерации чутьвыше, при больших токах интенсивности практически одинаковые. Это позволяет сделать вывод, что замена проходного зеркала на глухое позволяеткомпенсировать потери, возникающие из-за кристалла.Наконец, были измерены спектры бифотонного поля. При регистрациибифотонного поля во внутрирезонаторной схеме возникали большие проблемы из-за излучения разряда. Для того чтобы минимизировать его влияние,разряд коллимировался диафрагмами Д1 и Д2, а регистрация происходилав неколлинеарном режиме под углом = 1,6∘ относительно пучка накачки.При этом эффективные апертуры объективов О1 и О2 были таковы, что вкаждом канале вырезался угловой диапазон = 0,6∘ .
При такой схеме детектирования спектр совпадений становится ограничен не только ширинойспектра бифотонного поля, но и углами и . Измеренный спектр совпадений показан на рисунке 3. Ширина спектра составила всего 90 нм (55 ТГц).Для сравнения был измерен спектр бифотонного поля, генерируемого в томже кристалле снаружи резонатора в коллинеарном режиме.
Поскольку интенсивность бифотонного поля в этом случае слишком мала, то на рисунке 3 приведен только спектр единичных отсчетов. В этом случае ширинаизмеренного спектра составила 217 нм (132 ТГц). Таким образом, продемонстрирована возможность генерации бифотонного поля высокой интенсивности с широким спектром за счет помещения тонкого нелинейного кристаллавнутрь лазерного резонатора. Выявлены проблемы, связанные с техническойреализацией подобного источника, в частности, со сложностью регистрации вколлинеарном режиме. Предложены способы устранения подобных проблем.Результаты первой главы опубликованы в работе [4].Во второй главеисследуется неоднородное уширение спектра бифотонного поля за счет неоднородного нагрева нелинейного кристалла.
Этотметод управления спектром бифотонного поля основан на использовании пространственно-неоднородных нелинейных сред. Основная идея метода состоит11Скорость единичных отсчетов (отн. ед.)Скорость счета совпадений (Гц)0 ,0 70 ,0 60 ,0 50 ,0 40 ,0 30 ,0 20 ,0 10 ,0 06 0 06 5 07 0 07 5 0Длина волны (нм)8 0 08 5 01 ,0 00 ,7 50 ,5 00 ,2 50 ,0 06 0 07 0 08 0 09 0 0Длина волны (нм)1 0 0 0(а )(б )Рис. 3. Спектры бифотонного поля от кристалла ВВО толщиной 0,1 мм. (а) Спектр совпадений, измеренный в неколлинеарном режиме. Кружками обозначены экспериментальныеточки, кривой — численный расчет.
(б) Спектр единичных отсчетов, измеренный в коллинеарном режиме. Кружками показаны экспериментальные точки, жирной кривой —точный расчет, тонкой кривой — расчет для кристалла, наклоненного на 0,2∘ относительно оптимального положения. Пунктиром показан теоретический спектр для бифотонногополя от кристалла ВВО толщиной 1 мм.в том, что амплитуда бифотонного поля, полученного в процессе СПР в пространственно неоднородной нелинейной среде, определяется выражением∫︁√︁ (, ⃗) ∝ ( − ) (2) () exp [Δ (, ⃗, ) ] ,(3)0где ось направлена вдоль распространения накачки.
В случае, когда фазовая расстройка Δ зависит от , выражение (3) не сводится к выражению (1),поэтому ограничение на ширину спектра (2) снимается. В результате в разных частях нелинейной среды условия фазового синхронизма (Δ (, ⃗ ) = 0)выполняются для разных частот и углов. Таким образом, бифотонное полена выходе из кристалла будет представлять суперпозицию вкладов от всехего частей, которая будет уширена по частоте и/или по углу по сравнению счастотно-угловым спектром такого же пространственно однородного образца.Один из способов реализации зависимости Δ() основан на пространственной модуляции показателей преломления нелинейного кристалла посредством термооптического эффекта.
В качестве нелинейного кристалла использовался кристалл дигидрофосфата калия (KDP) длиной 20 мм, выре12занный под коллинеарный вырожденный синхронизм типа I на длине волнынакачки 351 нм. Для его неоднородного нагрева был создан специальныйпятисекционный нагреватель (рис. 4). В качестве нагревательных элементовKDPДифференциальныетермопарыРадиаторНизкоомныерезисторыВодаКонтроллертемпературы«Холодные» спаидифференциальныхтермопарРис. 4.
Пятисекционный нагреватель нелинейного кристалла.использовались низкоомные резисторы, разделенные текстолитовыми перегородками, напряжение на которых можно было регулировать независимо. Наодном из концов был установлен радиатор с водяным охлаждением. В каждой секции были вмонтированы дифференциальные термопары, «холодные»спаи которых находились в воде со льдом. Такой нагреватель был способенобеспечить перепад температур на краях кристалла до 100 К и выше.Зависимость ширины частотного спектра от разности температур на краях кристалла представлена на рисунке 5.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
