[論文レビュー] Spatially single-mode source of bright squeezed vacuum

A. M. Pérez, T. Sh. Iskhakov+5 more|Feb 12, 2014

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 15被引用数 30

ひとこと要約

本論文は、走査型光増幅器内に空間的に分離された逆方向のBBO結晶を2つ用いることで、空間的単一モードの明るいスクリーチド真空（BSV）源を実現した。結晶間の距離を増加させることで、BSVの角度スペクトルが単一横モードに狭められ、mₜ = 1.13の高いスクリーチング（NRF = 0.65）を達成したが、同時に高い明るさと非古典的性質を維持した。

ABSTRACT

Bright squeezed vacuum, a macroscopic nonclassical state of light, can be obtained at the output of a strongly pumped non-seeded traveling-wave optical parametric amplifier (OPA). By constructing the OPA of two consecutive crystals separated by a large distance we make the squeezed vacuum spatially single-mode without a significant decrease in the brightness or squeezing.

研究の動機と目的

• 高利得パラメトリック増幅の固有のマルチモード性を克服し、空間的単一モード特性を持つ明るいスクリーチド真空状態を生成すること。
• バルク非線形結晶において空間モード制御を実現しながらも、高い明るさと強い非古典的性質を維持する課題に取り組むこと。
• 2つの非線形結晶間の距離を増加させることで、発生するパラメトリック波長分割放射の角度帯域幅が小さくなることを実験的に示すこと。
• 2次強度相関測定およびノイズ低減係数（NRF）の特徴付けにより、単一モード動作を検証すること。
• キャビティを用いない、波ガイドを用いないバルク結晶ベースのBSV源において、モード純度、明るさ、スクリーチングのトレードオフを調査すること。

提案手法

• 走査型光増幅器（OPA）として、互いに逆方向の結晶軸を持つ2つの連続するBBO結晶を用い、ウォークオフを抑制するとともに相互作用長を増加させた。
• パラメトリック波長分割放射（PDC）の角度幅Δθを小さくするために、2つの結晶間の物理的距離Lを増加させた。ここでΔθ ≈ a/Lであり、aはポンプビームのウェイスト径である。
• 発生モード数の正確な測定を可能にするために、狭帯域スペクトルフィルタリング（0.1 nm）を用い、mₗ ≈ 1.25の縦モードを分離した。
• g⁽²⁾(0) = 1 + 1/mを用いて横モード数mₜを推定するため、2次強度相関関数g⁽²⁾(0)を測定した。値が1.13に近づくことで、ほぼ単一モード動作が示された。
• 周波数非縮退状態でノイズ低減係数（NRF）測定を実施し、スクリーチングを定量的に評価した。L = 11.5 cmでNRF = 0.65が観測された。
• 中性密度フィルターとビームコリメーションを用いて、検出器の飽和を防ぎ、正確な強度および相関測定を確保した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バルク結晶構成において、明るさや非古典的性質を損なわずに、明るいスクリーチド真空状態を空間的単一モード化できるか？
• RQ2 2つの非線形結晶間の距離を増加させることで、発生するBSVの角度スペクトル幅およびモード数にどのような影響が生じるか？
• RQ3 どの程度まで横モード数を1に近づけることができるか（mₜ ≈ 1）、同時に測定可能なスクリーチングを維持できるか？
• RQ4 空間的モード構造が測定された2次相関関数g⁽²⁾(0)およびノイズ低減係数（NRF）にどのように影響を与えるか？
• RQ5 ビームウェイストおよびレイリー範囲が、強度および相関測定における観測干渉縞に及ぼす影響は何か？

主な発見

• 結晶間隔L = 11.5 mmで横モード数がmₜ = 1.13にまで低下し、明るいスクリーチド真空のほぼ単一モード動作が確認された。
• 2次強度相関関数g⁽²⁾(0)は1.08に測定され、これは単一横モードおよび狭帯域フィルタリング（mₗ ≈ 1.25）と整合的であった。
• NRF = 0.65の顕著なスクリーチングがL = 11.5 cmで観測され、モード純度のトレードオフが生じても非古典的性質が確認された。
• 強度およびg⁽²⁾(0)の周期35 mmの振動は、2つの空間的に分離された結晶からの寄与の間の干渉に起因するとされた。
• 実験的強度エンVELOPはL = 11 cmで局所的最大値を示し、ビームウェイストの位置づけに起因するとされた。これは、一定のビーム径を仮定した理論予測とは乖離していた。
• 明るさとモード数が低下しても、システムは依然として強い非古典的特徴を維持しており、バルク結晶を用いた単一モードBSV生成の可能性が裏付けられた。