Spontan parametrisk nedkonvertering

Schematisk över SPDC-processen. Observera att bevarandelagar gäller energi och momentum inuti kristallen.

Spontan parametrisk nedkonvertering (även känd som SPDC , parametrisk fluorescens eller parametrisk spridning ) är en icke-linjär omedelbar optisk process som omvandlar en foton med högre energi (nämligen en pumpfoton), till ett par fotoner (nämligen en signalfoton, och en tomgångsfoton) med lägre energi, i enlighet med lagen om bevarande av energi och lagen om bevarande av momentum . Det är en viktig process inom kvantoptik , för generering av intrasslade fotonpar och av enstaka fotoner.

Grundläggande process

Ett SPDC-schema med typ I-utgången

Videon av ett experiment som visar vakuumfluktuationer (i den röda ringen) förstärkt av SPDC (motsvarande bilden ovan)

En olinjär kristall används för att producera par av fotoner från en fotonstråle . I enlighet med lagen om bevarande av energi och lagen om bevarande av rörelsemängd, har paren kombinerade energier och rörelsemängder som är lika med energin och rörelsemängden för den ursprungliga fotonen. Eftersom brytningsindex ändras med frekvensen ( dispersion ), kommer endast vissa trillingar av frekvenser att fasmatchas så att samtidig energi- och momentumbevarande kan uppnås. Fasmatchning uppnås oftast med användning av dubbelbrytande olinjära material, vars brytningsindex förändras med polarisation. Som ett resultat av detta kategoriseras olika typer av SPDC efter polarisationerna av ingångsfotonen (pumpen) och de två utgångsfotonerna (signal och tomgång). Om signal- och tomgångsfotonerna delar samma polarisation med varandra och med den förstörda pumpfotonen anses den vara typ 0 SPDC; om signal- och tomgångsfotonerna delar samma polarisation med varandra, men är ortogonala mot pumppolarisationen, är det Type-I SPDC. Om signal- och tomgångsfotonerna har vinkelräta polarisationer, anses det typ II SPDC.

Omvandlingseffektiviteten för SPDC är typiskt mycket låg, med den högsta verkningsgraden som erhålls i storleksordningen 4 par per 106 ^inkommande fotoner för PPLN i vågledare. Men om ena halvan av paret upptäcks någon gång är dess partner känd för att vara närvarande. Den degenererade delen av utsignalen från en typ I-nedkonverterare är ett sammanpressat vakuum som endast innehåller termer för jämna fotontal . Den icke degenererade utgången från typ II-nedomvandlaren är ett tvåläges klämt vakuum.

Exempel

Ett SPDC-schema med typ II-utgång

I en allmänt använd SPDC-apparatkonstruktion riktas en stark laserstråle , benämnd "pump"-strålen, mot en BBO (beta-bariumborat) eller litiumniobatkristall . De flesta fotoner fortsätter rakt genom kristallen. Emellertid, ibland genomgår några av fotonerna spontan nedkonvertering med typ II polarisationskorrelation, och de resulterande korrelerade fotonparen har banor som är begränsade längs sidorna av två koner vars axlar är symmetriskt arrangerade i förhållande till pumpstrålen . På grund av bevarandet av momentum är de två fotonerna alltid symmetriskt placerade på sidorna av konerna, i förhållande till pumpstrålen. I synnerhet kommer banorna för en liten andel fotonpar att ligga samtidigt på de två linjerna där de två konernas ytor skär varandra. Detta resulterar i intrassling av polarisationerna hos fotonparen som kommer fram på dessa två linjer. Fotonparen är i en kvantsuperposition av lika vikt av de icke intrasslade tillstånden $\vert H\rangle \vert V\rangle$ och ${\displaystyle \vert V\rangle \vert H\rangle } ,$ motsvarande polariseringar av foton på vänster sida, foton på höger sida.

En annan kristall är KDP ( kaliumdivätefosfat ) som mest används vid typ I-nedkonvertering, där båda fotonerna har samma polarisation.

Några av egenskaperna hos effektiva parametriska nedkonverterande olinjära kristaller inkluderar:

1. Icke-linjäritet: Kristallens brytningsindex ändras med intensiteten av det infallande ljuset. Detta är känt som det olinjära optiska svaret.
2. Periodicitet: Kristallen har en regelbunden, upprepande struktur. Detta är känt som gitterstrukturen, som är ansvarig för det regelbundna arrangemanget av atomerna i kristallen.
3. Optisk anisotropi: Kristallen har olika brytningsindex längs olika kristallografiska axlar.
4. Temperatur- och tryckkänslighet: Kristallens olinjäritet kan förändras med temperatur och tryck, och därför bör kristallen hållas i en stabil temperatur- och tryckmiljö.
5. Hög olinjär koefficient: Stor olinjär koefficient är önskvärd, detta gör det möjligt att generera ett stort antal intrasslade fotoner.
6. Hög optisk skadetröskel: Kristall med hög optisk skadetröskel kan utstå hög intensitet hos pumpstrålen.
7. Transparens i det önskade våglängdsområdet: Det är viktigt att kristallen är transparent i pumpstrålens våglängdsområde för effektiva olinjära interaktioner
8. Hög optisk kvalitet och låg absorption: Kristallen bör ha hög optisk kvalitet och låg absorption för att minimera förlusten av pumpstrålen och de genererade intrasslade fotonerna.

Historia

SPDC demonstrerades så tidigt som 1967 av SE Harris , MK Oshman och RL Byer , samt av D. Magde och H. Mahr. Det tillämpades först på experiment relaterade till koherens av två oberoende par av forskare i slutet av 1980-talet: Carroll Alley och Yanhua Shih, och Rupamanjari Ghosh och Leonard Mandel . Dualiteten mellan inkoherent ( Van Cittert–Zernikes sats ) och bifotonutsläpp hittades .

Ansökningar

SPDC möjliggör skapandet av optiska fält som innehåller (till en bra approximation) en enda foton. Från och med 2005 är detta den dominerande mekanismen för en experimentator att skapa enstaka fotoner (även känd som Fock states) . De enskilda fotonerna såväl som fotonparen används ofta i kvantinformationsexperiment och applikationer som kvantkryptografi och Bell-testexperiment .

SPDC används ofta för att skapa par av intrasslade fotoner med en hög grad av rumslig korrelation. Sådana par används i spökavbildning , där information kombineras från två ljusdetektorer: en konventionell multipixeldetektor som inte ser objektet och en enpixeldetektor (hink) som ser objektet.

Alternativ

Den nyligen observerade effekten av tvåfotonemission från elektriskt drivna halvledare har föreslagits som en grund för effektivare källor för intrasslade fotonpar. Förutom SPDC-genererade fotonpar är fotonerna i ett halvledarutsänd par vanligtvis inte identiska utan har olika energier. Tills nyligen, inom begränsningarna av kvantosäkerhet, antogs paret av emitterade fotoner vara samlokaliserade: de är födda från samma plats. En ny icke-lokaliserad mekanism för produktion av korrelerade fotonpar i SPDC har emellertid framhållit att de individuella fotoner som utgör paret ibland kan sändas ut från rumsligt åtskilda punkter.

Se även

• Foton uppkonvertering