光パラメトリック発振器

光パラメトリック発振器 (OPO) の詳細

光パラメトリック発振器（Optical Parametric Oscillator、OPO）は、入力されるレーザー光（ポンプ光）を、異なる2つの周波数の光（シグナル光とアイドラー光）に変換するデバイスです。この変換は、非線形光学結晶内部で起こる2次の非線形光学効果によって実現されます。シグナル光とアイドラー光の周波数の和は、常にポンプ光の周波数に等しくなります。

原理

OPOは、光共振器と非線形光学結晶を組み合わせた構造をしています。ポンプ光、シグナル光、アイドラー光は結晶内で相互作用し、シグナル光とアイドラー光が増幅される一方、ポンプ光は減衰します。共振器は、シグナル光またはアイドラー光（あるいは両方）の光を閉じ込め、増幅された光を効率的に出力するために用いられます。

共振器内の光損失は、ポンプ光のパワーに依存しない定数です。一方、利得はポンプ光のパワーに比例するため、ポンプ光のパワーが閾値を超えた時に初めて発振が始まります。発振状態では、利得と損失が釣り合うことで、シグナル光とアイドラー光の振幅が決定されます。ポンプ光のパワーを増やすことで、出力光の強度も増加します。

光子の変換効率は、ポンプ光子数に対するシグナル光またはアイドラー光子数の比で表され、数十パーセントに達することがあります。典型的なポンプ光のパワーは数十mWから数Wであり、共振器の損失、光の周波数、非線形結晶の性質によって異なります。連続波動作とパルス動作の両方が可能です。パルスOPOは、高強度の光を短時間に照射するため、結晶やミラーへのダメージを軽減できます。

シグナル光とアイドラー光の発生は、背景雑音から始まる場合があります。ポンプ光に加えて、アイドラー光を外部から供給する過程は、差周波発生（DFG）と呼ばれ、OPOよりも効率的な場合もあります。

出力光の周波数は、ポンプ光の周波数、非線形光学結晶の位相整合特性、共振器長などを調整することで制御できます。位相整合は、結晶の温度、方向、または周期分極反転（quasi-phase-matching、QPM）などの方法で調整可能です。QPMを利用した周期分極反転ニオブ酸リチウム（PPLN）結晶は、広い波長範囲（700nm～5000nm）の光を生成できます。一般的なポンプ光源としては、Nd:YAGレーザー（1.064µmまたは0.532µm）が用いられます。

特長

OPOの重要な特徴は、生成される光の優れたコヒーレンス性と狭いスペクトル幅です。ポンプ光のパワーが閾値を十分に超えると、出力光はコヒーレントな状態になり、線幅は数kHzという非常に狭い値になります。ポンプ光の線幅が狭ければ、共振していない出力光も狭い線幅を持ちます。この狭い線幅は、分光学への応用において重要な利点となります。

応用

OPOの狭い線幅とコヒーレンス性から、分光学分野で広く用いられています。また、量子光学分野では、スクイーズド光や量子もつれ状態の生成に利用され、量子情報科学の研究に貢献しています。さらに、原子との相互作用の研究や、量子乱数生成器としての応用も示されています。

まとめ

OPOは、その高い柔軟性と優れた光特性から、分光学、量子光学、量子情報科学など、多様な分野で重要な役割を果たす光源となっています。今後ますますその応用範囲は広がっていくと期待されています。

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