[논문 리뷰] Spectral and statistical properties of high-gain parametric down-conversion

Kirill Yu. Spasibko|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 25.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 155인용 수 4

한 줄 요약

이 학위논문은 고이득 비선형 다운컨버전(Parametric Down-Conversion, PDC)을 빛나는 양자비어림상태(Bright Squeezed Vacuum, BSV) 상태의 원천으로 연구하며, 강한 비고전적 및 통계적 성질을 갖는다. 고이득 PDC가 매크로스코픽하게 밝고, 위상차가 줄어든 빛을 생성하며, 꼬리가 두꺼운 광자 수 분포를 가지며, 이는 일관된 빛에 비해 조화 발진을 최대 두 계급 정도 향상시킨다. 이는 초고속 분광법 및 양자 향상 영상 기술 분야에서 새로운 응용 가능성을 열어준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존의 저이득 영역을 넘어서 고이득 PDC의 스펙트럼적 및 통계적 성질을 조사하기 위해.
• 높은 비선형 이득이 매크로스코픽하게 밝고 비고전적인 빛을 생성하며, 강한 광자 수 변동성을 유도하는 방식을 이해하기 위해.
• 고이득 PDC를 다중광자 과정의 펌프로 사용하여 효율을 크게 향상시키는 것을 입증하기 위해.
• 기적의 투명쌍 빛과 고이득 PDC에서의 꼬리가 두꺼운 광자 수 통계에 의해 가능해지는 새로운 응용을 탐색하기 위해.
• 고이득 PDC에서의 스펙트럼 상관관계, 모드 구성 및 간섭 효과를 특성화하기 위한 실험적 및 이론적 프레임워크 수립하기 위해.

제안 방법

• 정상 및 비정상 군속도 분산(GVD) 영역에서 PDC의 이론적 모델링을 통해 스펙트럼 및 모드 구조 분석하기.
• narrowband 필터링 및 강도 차이 노이즈 분석을 이용한 연합 스펙트럼 강도(JSI) 및 상관함수(CF) 측정 실험.
• 비선형 결정에서 시간적 및 공간적 워크오프 매칭을 활용하여 좁은 대역, 고이득 쌍 빛 생성하기.
• 광자 수 변동성을 특성화하기 위해 정규화된 상관함수 및 보완 누적분포함수(CCDF)의 적용.
• 빔 스플리터 간섭 실험을 통해 고이득 PDC에서 매크로스코픽한 홍-오우-마날(Hong-Ou-Mandel, HOM) 효과 관측하기.
• BSV로의 두 번째, 세 번째 및 네 번째 조화 발진을 실험적으로 구현하며, 일관된 빛에 비해 효율 비교하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 특히 비정상 GVD 영역에서 고이득 PDC의 스펙트럼 및 모드 성질이 비선형 이득 증가에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 고이득 PDC에서 매크로스코픽 HOM 간섭과 같은 간섭 효과의 성격은 무엇인가?
• RQ3 빛나는 양자비어림상태(Bright Squeezed Vacuum, BSV)의 광자 수 변동성이 조화 발진과 같은 다중광자 과정을 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 공간적 및 시간적 워크오프 매칭을 어떻게 활용하여 고이득 PDC에서 기적의 좁은 대역 쌍 빛을 생성할 수 있는가?
• RQ5 고이득 PDC에서 나타나는 통계적 성질, 예를 들어 꼬리가 두꺼운 광자 수 분포는 무엇이며, 비선형 과정에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 고이득 PDC는 평균 출력이 수백 밀리와트까지 도달하면서도, 샷노이즈 이하의 위상차 변동성을 유지하는 빛나는 양자비어림상태(Bright Squeezed Vacuum, BSV) 상태를 생성한다.
• BSV의 정규화된 상관함수는 좁은 대역 필터링 조건에서도 변화하지 않으며, 비고전적 상관관계의 강건성을 확인한다.
• 두 번째, 세 번째 및 네 번째 조화 발진과 같은 다중광자 과정은 BSV로 펌프할 경우 일관된 빛에 비해 최대 두 계급 정도 효율이 향상된다.
• BSV에서 극한의 광자 수 변동성은 꼬리가 두꺼운 확률 분포를 유도하며, 평균을 초과하는 사건이 100배 이상 초과하는 경우가 자주 관측된다.
• BSV에서의 슈퍼컨티누움 생성은 지수 2 이하인 파wer-법칙 광자 수 분포를 보이며, 평균 광자 수가 정의되지 않고 꼬리가 두꺼운 통계를 유도한다.
• 매크로스코픽한 홍-오우-마날 간섭이 실험적으로 관측되었으며, 이는 고이득 PDC 시스템에서 집단적 양자 행동을 보여준다.