[論文レビュー] Spectral and statistical properties of high-gain parametric down-conversion

Kirill Yu. Spasibko|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2020

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ひとこと要約

本学位論文は、強い非古典的および統計的性質を示す明るいスクリーチド真空（BSV）状態の光源としての高利得パラメトリックダウンコンersion（PDC）を調査する。高利得PDCが、重い尾を示す光子数分布を有するマクロな明るさと位相揃いの光を生成することを示し、コherent光に比べて二次、三次、四次高調波生成などの多光子過程の効率を最大2桁向上させることを実証した。これにより、超高速分光法や量子増強イメージング分野における新規応用が可能となる。

ABSTRACT

Parametric down-conversion (PDC) is mostly known in the low-gain (spontaneous) regime, in which the correlated photon pairs are produced. Spontaneous PDC (SPDC) plays a very important role for quantum optics as a variety of quantum states is produced via SPDC. In the high-gain case PDC leads to generation of bright states having up to hundreds mW mean power. With such states almost any nonlinear optical interaction or light-matter interaction becomes more efficient. Even being macroscopically bright, the produced states maintain nonclassical properties as, for example, the fluctuations of electric field quadratures are squeezed below the shot-noise level. The high-gain PDC could be used not only in the same applications as SPDC, it also can provide new ones. Apart from that the high-gain PDC has many remarkable spectral and statistical properties, which are in the focus of this work. The description starts from the PDC generation in normal and anomalous group velocity dispersion ranges. The spectrum and mode content of high-gain PDC is considered as well as their change with the parametric gain are demonstrated. Then, there are the interference effects emerging from the PDC correlations presented, namely the macroscopic analogue of the Hong-Ou-Mandel interference. In addition, it is shown how spatial and temporal walk-off matching could be used for the generation of giant narrowband twin beams. Finally, the statistical properties of high-gain PDC are reviewed as well as their use for multiphoton effects is demonstrated. Photon-number fluctuations of PDC are studied via normalized correlation functions and probability distributions. These fluctuations enhance the generation efficiency for multiphoton effects by orders of magnitude and lead to tremendously fluctuating light described by heavy-tailed photon-number probability distributions.

研究の動機と目的

• 従来の低利得領域にとどまらない、高利得パラメトリックダウンコンersion（PDC）のスペクトル的および統計的性質を調査すること。
• 高いパラメトリック利得が、マクロ的に明るく、非古典的な光を生成し、強い光子数フラクチュエーションを引き起こす仕組みを理解すること。
• 高利得PDCを多光子過程のポンプ源として用いることの有効性を実証し、効率の顕著な向上を示すこと。
• 高利得PDCにおける巨大なツインビームと重い尾を示す光子数統計がもたらす新規応用を探索すること。
• 高利得PDCにおけるスペクトル相関、モード構成、干渉効果を特徴付けるための実験的および理論的フレームワークを確立すること。

提案手法

• 通常および異常な群速度分散（GVD）領域におけるPDCの理論的モデリングにより、スペクトル的およびモード構造の分析を行う。
• 狭帯域フィルタリングと強度差ノイズ解析を用いて、共同スペクトル強度（JSI）および相関関数（CF）の実験的測定。
• 非線形結晶における時間的および空間的ウォークオフマッチングを用いて、狭帯域で高利得のツインビームを生成する。
• 光子数フラクチュエーションの特徴付けに、正規化相関関数および補完的累積分布関数（CCDF）の使用。
• ビームスプリッター干渉実験を実装し、高利得PDCにおけるマクロなホン・オウ・マーテル（HOM）効果の観測。
• BSVをポンプとして用いた二次、三次、四次高調波生成の実証。コherent光ポンプとの効率比較を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高利得PDCのスペクトル的およびモード的性質は、特に異常GVD領域において、パラメトリック利得の増大に伴いどのように変化するか？
• RQ2 高利得PDCにおける干渉効果、特にマクロなHOM干渉の性質は何か？
• RQ3 明るいスクリーチド真空（BSV）における光子数フラクチュエーションは、高調波生成のような多光子過程をどの程度増幅するか？
• RQ4 空間的および時間的ウォークオフマッチングを用いて、高利得PDCで巨大で狭帯域のツインビームをどのように生成できるか？
• RQ5 高利得PDCにおいて、重い尾を示す光子数分布のような統計的性質がどのように生じ、非線形過程にどのような影響を及えるか？

主な発見

• 高利得PDCは、平均出力が数100mWに達する明るいスクリーチド真空（BSV）状態を生成し、同時にショットノイズ未満の位相揃いのフラクチュエーションを維持する。
• BSVの正規化相関関数は狭帯域フィルタリングに対しても変化せず、非古典的相関の頑健性を裏付ける。
• 二次、三次、四次高調波生成といった多光子過程は、BSVをポンプとして用いることで、コherent光ポンプに比べ最大2桁の効率向上が達成された。
• BSVに見られる極端な光子数フラクチュエーションは、平均値を100倍以上上回るイベントが頻繁に観測される重い尾を示す確率分布を生じる。
• BSVからのスーパーコンtinuum生成は、2未満の指数を有するべきべき乗則の光子数分布を示し、平均光子数が定義されず、重い尾を示す統計的性質を持つ。
• マクロなホン・オウ・マーテル干渉が実験的に観測され、高利得PDC系における集団的量子的挙動が実証された。