[論文レビュー] Bi-photon propagation control with optimized wavefront by means of Adaptive Optics

Mattia Minozzi, Stefano Bonora+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2012

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 10被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、自己適応的波front整形を、可変鏡とアリの巣最適化アルゴリズムを用いて、自己誘導的パラメトリック下変換（SPDC）により生成されるもつれ光子対の空間的伝搬を制御することを示している。2光子の一致率をフィードバックとして用い、ポンプレーザーの波frontをリアルタイムで最適化することで、ビーム発散を低減し、2メートルの距離においてファイバー結合効率を向上させた。その結果、一致率が最大40%増加し、ビームスポットサイズが5倍に縮小された。

ABSTRACT

We present an efficient method to control the spatial modes of entangled photons produced through SPDC process. Bi-photon beam propagation is controlled by a deformable mirror, that shapes a 404nm CW diode laser pump interacting with a nonlinear BBO type-I crystal. Thanks to adaptive optical system, the propagation of 808nm SPDC light produced is optimized over a distance of 2m. The whole system optimization is carried out by a feedback between deformable mirror action and entangled photon coincidence counts. We also demonstrated the improvement of the two-photon coupling into single mode fibers.

研究の動機と目的

• SPDCを用いて生成されるもつれ光子対の空間モード特性を、ポンプビームの波frontを整形することで制御すること。
• 二光子状態の長距離自由空間伝搬におけるビーム発散およびアライメントずれの問題に対処すること。
• 2メートルの自由空間を介したマルチモードおよびシングルモードファイバーへのSPDC光子の結合効率を向上させること。
• 波front整形が二光子波動関数を最適化し、一致率を向上させることを実験的に検証すること。
• フィードバック駆動型の進化的アルゴリズムが、量子光学用途における最適な可変鏡設定を効果的に探索できることを示すこと。

提案手法

• 404 nmの連続波半導体レーザーを用いて、BBO型I性非線形結晶をポンプし、SPDCによりもつれ光子対を生成する。
• 32アダプタを備えた可変鏡を用いてポンプビームの波frontを整形し、鏡の表面を自己適応フィードバックループで制御する。
• アリの巣最適化アルゴリズムが反復的にアダプタの電圧を調整し、2光子一致率をフィードバック信号として最大化する。
• ポンプビームを拡大し、リレイヤー系を通じて可変鏡に照射させ、その有効アパーチャーに一致させ、波front分解能を向上させる。
• SPADが検出する信号光子とイジール光子間の一致率を、最適化アルゴリズムのフィtness関数として用いる。
• Zernike多項式分解を用いて最適化された波frontを分析し、主にコマ、収差、およびその他の収差成分を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己適応的オプティクスを用いて、SPDCで生成される二光子ビームの空間的伝搬を制御可能か？
• RQ2 ポンプ波frontの整形が、長距離の自由空間パスにおけるもつれ光子対の発散およびビーム品質にどのように影響するか？
• RQ3 進化的アルゴリズムが波frontを最適化することで、一致率およびファイバー結合効率を最大限に高められる程度はどの程度か？
• RQ4 収差（例：収差、収差、コマ）の中で、ビーム発散を是正し、ビームのコリメーションを改善するために最も効果的なものは何か？
• RQ5 同じ最適化戦略はシングルモードファイバーへの結合を向上させられるか？その向上率はどの程度か？

主な発見

• 自己適応的オプティクスシステムにより、2メートルの自由空間パスを経て、2光子一致率が40%増加した。
• 結晶から1.5メートルの距離でのビームスポットサイズは、約3.9 mmから1.5 mmに縮小され、直径が5倍に減少した。
• 最適化された波frontには顕著な収差（Z₂,₂）、収差（Z₃,₁およびZ₃,₋₁）成分が強く現れ、これらがビーム発散を是正した。
• 最適化後、ビーム形状は楕円形に変化し、対角方向に引き伸ばされた形状を示し、高次収差の影響が顕著に現れた。
• シングルモードファイバーへの結合において、一致率は20,780 ± 144から25,418 ± 159に60秒間で20%以上増加した。
• 最適化プロセスは指数関数的に安定した高一致率状態に収束し、適応的探索により局所的最小値を効果的に回避した。