[論文レビュー] Coherent control with broadband squeezed vacuum

Barak Dayan, Avi Pe’er+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2003

Laser-Matter Interactions and Applications参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、帯域幅が広いスリッピング真空—たとえ非相関的で熱的ノイズを含んでも—変換限界の超短パルスと同様に、二光子相互作用を効果的に駆動できることを示している。パルス整形技術によるスペクトル位相フィルタを適用することで、和周波数生成（SFG）に対する位相制御が可能となり、量子信号の抑制を最大86.5％まで達成。これは、コherentパルスと同等の結果をもたらし、二光子過程における量子干渉は、入射光そのもののコherenceに依存するのではなく、周波数ペア間の相関位相挙動に依存することを証明した。

ABSTRACT

We report the experimental demonstration of coherent control with high power, broadband squeezed vacuum. Although incoherent and exhibiting the statistics of a thermal noise, broadband squeezed vacuum is shown to induce certain two-photon interactions as a coherent ultrashort pulse with the same spectral bandwidth. Utilizing pulse-shaping techniques we coherently control the sum-frequency generation of broadband squeezed vacuum over a range of two orders of magnitude. Coherent control of two-photon interactions with broadband squeezed vacuum can potentially obtain spectral resolutions and extinction ratios that are practically unattainable with coherent pulses.

研究の動機と目的

• 帯域幅が広いスリッピング真空が、非相関的かつ熱的性質を示すにもかかわらず、二光子相互作用を誘発できるかどうかを調査すること。
• パルス整形技術が、帯域幅が広いスリッピング真空によって駆動される非線形プロセス（例：和周波数生成（SFG））を、どのように位相制御できるかを検証すること。
• 二光子過程を支配する量子干渉が、補完的周波数ペア間のスペクトル位相相関に依存するのか、それとも光源全体のコherenceに依存するのかを特定すること。
• 高パワーで帯域幅が広いスリッピング真空が、従来のコherentパルスでは達成できないスペクトル分解能と消光比を達成できることを確立すること。

提案手法

• 狭帯域のポンプレーザーを用いた非線形結晶内でのパラメトリックダウンコンバージョン過程により、帯域幅が広いスリッピング真空を生成する。
• パルスシェーパーを用いて、スリッピング真空のスペクトル振幅および位相を操作し、線形および正弦波型のスペクトル位相フィルタを適用する。
• SFG信号は532 nmで測定され、適用されたスペクトル位相の関数として測定される。ポンプ周波数はωpに設定されている。
• 線形位相フィルタをスペクトルの両側に対称的に適用し、高周波成分と低周波成分の間に有効な遅延を生じさせる。
• 正弦波型位相フィルタを用いて、ωp/2を中心とした反対称および対称な位相関数をテストし、反対称フィルタはSFGに影響しないが、対称フィルタは量子信号を抑制することを確認する。
• 理論的モデリングには、二光子相互作用振幅の式：pf ∝ |∫ E(Ω/2+ξ)E(Ω/2−ξ) dξ|² を用い、E(ω)はスリッピング真空のスペクトル振幅を表す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 帯域幅が広いスリッピング真空が、非相関的かつ熱的性質を示すにもかかわらず、和周波数生成のような二光子相互作用を誘発できるか？
• RQ2 帯域幅が広いスリッピング真空によって駆動されるSFGの位相制御が、光源全体のコherenceではなく、補完的周波数ペア間のスペクトル位相相関に依存するか？
• RQ3 帯域幅が広いスリッピング真空に適用されたパルス整形技術が、コherent超短パルスと同等のSFG制御を達成できるか？
• RQ4 対称位相フィルタを用いた信号抑制の程度は何か？また、これは古典的バックグラウンドレベルと比較してどうなるか？
• RQ5 二光子過程における量子干渉は、スリッピング真空内の周波数ペア成分間の位相反相関にどの程度依存するか？

主な発見

• 帯域幅が広いスリッピング真空によって誘発されたSFG信号は、実際のパルス長さが10⁵倍以上長いにもかかわらず、変換限界の超短パルスと同等のコherent挙動を示し、時間分解能は約65 fsであった。
• 1.5 psの遅延をスペクトルの一方の半分に与える線形スペクトル位相フィルタを適用すると、量子SFG信号は最大値の約13.5％にまで抑制され、これは約1％の予想される古典的バックグラウンドレベルと整合的である。
• 位相シフトθ = ±π/2の正弦波型位相フィルタを適用した場合、SFG信号は最小値にまで低下し、対称位相フィルタが量子干渉に影響を与えるが、反対称フィルタは影響しないことが確認された。
• 古典的バックグラウンドがわずか約1％であるのに対し、量子信号が最大値の13.5％にまで抑制されたことから、残存信号はスリッピング真空のスペクトル包絡線におけるショットごとの揺らぎに起因していることが示された。
• 結果から、二光子干渉に必要なコherenceは、スリッピング真空内の補完的周波数ペア間の位相反相関に起因するものであり、光源全体のスペクトル位相コherenceに起因するものではないことが確認された。
• 本研究は、高パワーで帯域幅が広いスリッピング真空が、従来のコherentパルスでは達成できないスペクトル分解能と消光比を達成できることを示し、マルチフォトン顕微鏡やマルチユーザー光通信分野における新応用を可能にする。