[논문 리뷰] Coherent control with broadband squeezed vacuum

Barak Dayan, Avi Pe’er외 2명|arXiv (Cornell University)|2003. 02. 05.

Laser-Matter Interactions and Applications참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 넓은 대역의 압축된 진공 상태가 비일관성과 열 노이즈를 지니고 있음에도 불구하고, 변환 제한 초단파 레이저 펄스처럼 두 광자 상호작용을 공명적으로 유도할 수 있음을 보여준다. 펄스 형태 제어 기술을 통해 스펙트럼 위상 필터를 적용함으로써 저자들은 합주주파수 생성(SFG)에 대해 공명 제어를 실현하였으며, 양자 신호를 최대 86.5%까지 억제하고, 일관성 있는 펄스와 동일한 결과를 도출함으로써, 두 광자 과정에서의 양자 간섭 현상은 입력 빛의 일관성보다는 주파수 쌍 간의 상관된 위상 행동에 의해 결정됨을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 넓은 대역의 압축된 진공 상태가 비록 비일관성이고 열과 유사한 성질을 지니고 있지만, 두 광자 상호작용을 유도할 수 있는가를 조사하는 것.
• 펄스 형태 제어 기술이 넓은 대역의 압축된 진공 상태에 의해 구동되는 비선형 과정, 예를 들어 합주주파수 생성(SFG)에 대해 공명 제어를 가능하게 하는가를 테스트하는 것.
• 두 광자 과정을 지배하는 양자 간섭 현상이 빛의 전체 일관성보다는 보완 주파수 쌍 간의 스펙트럼 위상 상관관계에 의해 결정되는가를 규명하는 것.
• 고출력, 넓은 대역의 압축된 진공 상태가 전통적인 일관성 펄스로는 달성할 수 없는 스펙트럼 해상도와 억제 비율을 달성할 수 있음을 입증하는 것.

제안 방법

• 窄대역 펌프 레이저를 사용하여 비선형 결정에서 비선형 분할을 통해 넓은 대역의 압축된 진공 상태를 생성한다.
• 펄스 샤퍼를 사용하여 압축된 진공 상태의 스펙트럼 진폭과 위상을 조작하여 선형 및 삼각함수형 스펙트럼 위상 필터를 적용한다.
• SFG 신호는 532 nm에서 측정되며, 적용된 스펙트럼 위상에 따라 변화하는 것을 측정한다. 펌프 주파수는 ωp로 설정된다.
• 선형 위상 필터는 스펙트럼의 두 반쪽에 대칭적으로 적용되어 고주파 및 저주파 성분 간의 효과적 지연을 유도한다.
• 삼각함수형 위상 필터를 사용하여 ωp/2를 중심으로 반사 대칭 및 비대칭 위상 함수를 테스트함으로써, 반사 대칭 필터는 SFG에 영향을 주지 않지만 대칭 필터는 양자 신호를 억제함을 검증한다.
• 이론적 모델링은 두 광자 상호작용 강도 표현식을 사용한다: pf ∝ |∫ E(Ω/2+ξ)E(Ω/2−ξ) dξ|², 여기서 E(ω)는 압축된 진공 상태의 스펙트럼 진폭을 나타낸다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 넓은 대역의 압축된 진공 상태가 비록 비일관성이고 열과 유사한 성질을 지니고 있지만, 합주주파수 생성과 같은 두 광자 상호작용을 유도할 수 있는가?
• RQ2 넓은 대역의 압축된 진공 상태에 의해 구동되는 SFG의 공명 제어가, 빛의 전체 일관성보다는 보완 주파수 쌍 간의 스펙트럼 위상 상관관계에 의존하는가?
• RQ3 넓은 대역의 압축된 진공 상태에 적용된 펄스 형태 제어 기술이, 일관성 초단파 펄스에 대해 실현하는 바와 동일한 SFG 제어를 달성할 수 있는가?
• RQ4 대칭 위상 필터를 통해 얻을 수 있는 신호 억제의 정도는 무엇이며, 이는 고전적 배경 수준과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 두 광자 과정에서의 양자 간섭 현상이 압축된 진공 상태의 주파수 쌍으로 구성된 성분 간의 위상 반대 상관관계에 얼마나 의존하는가?

주요 결과

• 넓은 대역의 압축된 진공 상태에 의해 유도된 SFG 신호는 실제로 펄스 지속시간이 5개 오르드만큼 길지만, 약 65 fs의 시간 해상도를 보이며, 변환 제한 초단파 펄스와 동일한 공명적 행동을 나타낸다.
• 1.5 ps의 지연를 유도하는 선형 스펙트럼 위상 필터를 적용하면, 양자 SFG 신호는 최대값의 약 13.5%로 억제되며, 이는 약 1%인 예상되는 고전적 배경 수준과 일치한다.
• 위상 이동 θ = ±π/2로 삼각함수형 위상 필터를 적용할 경우 SFG 신호가 최소로 억제되며, 이는 대칭 위상 필터가 양자 간섭에 영향을 주지만 반사 대칭 필터는 영향을 주지 않는다는 것을 확인한다.
• 고전적 배경 수준이 약 1%에 불과한 데 비해, 양자 신호가 최대값의 13.5%로 억제된다는 것은 잔류 신호가 압축된 진공 상태의 스펙트럼 엣지에 대한 스토크-스톱플럭투에이션 때문임을 시사한다.
• 결과는 두 광자 간섭에 필요한 공명성이 압축된 진공 상태 내 보완 주파수 쌍 간의 위상 반대 상관관계에서 유래되며, 전체 스펙트럼 위상 일관성에서 유래되지 않는다는 것을 확인한다.
• 본 연구는 고출력, 넓은 대역의 압축된 진공 상태가 기존의 일관성 펄스로는 달성할 수 없는 스펙트럼 해상도와 억제 비율을 달성할 수 있음을 보여주며, 이는 다광자 현미경 및 다사용자 광통신 분야의 새로운 응용 가능성을 열어준다.