[논문 리뷰] Spatially single-mode source of bright squeezed vacuum

A. M. Pérez, T. Sh. Iskhakov외 5명|2014. 02. 12.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 15인용 수 30

한 줄 요약

이 논문은 이동파 광학 주파수 분할 증폭기에서 공간적으로 분리된 반대 방향으로 정렬된 두 개의 BBO 결정을 사용하여 공간 단일 모드 밝은 압축된 진공(BCS) 소스를 구현한다. 결정 간 거리를 증가시킴으로써 BCS의 각도 스펙트럼이 단일 횡모드로 좁아지며, 높은 빛의 밝기와 비고전적 특성을 유지하면서도 mₜ = 1.13의 값과 상당한 양의 압축(NRF = 0.65)을 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 높은 이득 주파수 분할 증폭의 본질적인 다중모드 성질을 극복하면서 공간 단일 모드 특성을 갖는 밝은 압축된 진공 상태를 생성하는 것.
• 대규모 비선형 결정에서 공간 모드 제어를 실현하면서도 높은 밝기와 강한 비고전적 성질을 유지하는 데 도전하는 것.
• 두 비선형 결정 간의 간격을 증가시킴으로써 방출되는 주파수 분할 증폭 복사의 각도 대역폭이 감소함을 실험적으로 입증하는 것.
• 이차 강도 상관 측정과 노이즈 감소 계수(NRF) 특성 분석을 통해 단일 모드 작동을 검증하는 것.
• 비공진기, 비파이프, 대규모 결정 기반 BCS 소스에서 모드 순도, 밝기, 압축 정도 간의 상충 관계를 탐색하는 것.

제안 방법

• 보행파 광학 주파수 분할 증폭기(OPA)를 사용하여 두 개의 연속된 BBO 결정을 서로 반대 방향의 광축을 갖도록 배치하여, 보행각을 억제하고 상호작용 길이를 증가시킨다.
• 주로 파장 너비 a가 펌프 빔의 군집 크기인 경우, 두 결정 간 물리적 간격 L을 증가시켜 주파수 분할 증폭(PDC) 복사의 각도 너비 Δθ를 감소시키며, Δθ ≈ a/L로 표현된다.
• 좁은 대역 스펙트럼 필터링(0.1 nm)을 적용하여 종방향 모드 수 mₗ ≈ 1.25를 분리하고, g⁽²⁾(0) = 1 + 1/m을 통해 횡모드 수를 정밀하게 측정한다.
• 총 횡모드 수 mₜ를 추론하기 위해 이차 강도 상관 함수 g⁽²⁾(0)을 측정하며, 1.13에 가까운 값은 거의 단일 모드 작동을 나타낸다.
• 주파수 비분리 구성에서 노이즈 감소 계수(NRF) 측정을 수행하여 압축 정도를 정량화하며, L = 11.5 cm에서 NRF = 0.65를 관측하였다.
• 중성 밀도 필터와 빔 수렴 장치를 사용하여 검출기 포화를 방지하고 정확한 강도 및 상관 측정을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 결정 구조에서 빛의 밝기나 비고전적 성질을 희생시키지 않고 밝은 압축된 진공 상태를 공간 단일 모드로 만들 수 있는가?
• RQ2 두 비선형 결정 간 거리를 증가시키면 생성된 BSV의 각도 스펙트럼 너비와 모드 수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 횡모드 수를 얼마나 낮추면 거의 단일 모드(mₜ ≈ 1) 상태로 만들 수 있으며, 이때도 측정 가능한 압축 정도를 유지할 수 있는가?
• RQ4 공간 모드 구조는 측정된 이차 상관 함수 g⁽²⁾(0)과 노이즈 감소 계수(NRF)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 빔 군집 크기와 레이일리 거리가 강도 측정 및 상관 측정에서 관측된 간섭 무늬에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 결정 간 거리 L = 11.5 mm에서 횡모드 수가 mₜ = 1.13으로 감소하여 밝은 압축된 진공이 거의 단일 모드 작동을 함을 나타낸다.
• 이차 강도 상관 함수 g⁽²⁾(0) 측정 결과는 1.08로, 단일 횡모드와 좁은 대역 스펙트럼 필터링(mₗ ≈ 1.25)과 일치한다.
• L = 11.5 cm에서 NRF = 0.65로 상당한 압축이 관측되어, 모드 순도의 상충 관계가 있음에도 불구하고 비고전적 성질이 입증되었다.
• 강도 및 g⁽²⁾(0)의 주기 35 mm 간격의 진동은 공간적으로 분리된 두 결정의 기여가 간섭하여 발생한 것으로 기인된다.
• 실험적 강도 에너지가 L = 11 cm에서 局부 최대값을 보였으며, 이는 빔 군집 위치에 기인한 것으로 추정되며, 일정한 빔 직경을 가정한 이론 예측과 다소 다름을 보였다.
• 밝기와 모드 수가 감소함에도 불구하고, 시스템은 강력한 비고전적 특성을 유지하여 대규모 결정에서 단일 모드 BSV 생성의 가능성을 확인하였다.