Investigação da modulação espacial da luz na conversão paramétrica descendente estimulada

Abstract

A conversão paramétrica descendente é um processo de Óptica Não-Linear que vem desempenhando um papel de destaque na área de Óptica Quântica, podendo ser produzida de maneira espontânea (CPDE) ou estimulada (CPDStim). A CPDStim produz um feixe de luz mais intenso do que a CPDE e pode ser descrita através de uma teoria de óptica clássica. Entretanto, as condições de casamento de fase decorrentes da conservação de energia e momento entre os fótons dos feixes de bombeamento, sinal e complementar são idênticas às da CPDE. Este fato torna a CPDStim uma importante ferramenta para a investigação das propriedades de emaranhamento dos pares de fótons gerados na CPDE, uma vez que as correlações quânticas entre os fótons sinal e complementar também têm sua origem nas leis de conservação do processo. Nesta tese de doutorado é investigada as propriedades espaciais transversais da luz produzida na CPDStim e estendida para ela o conceito de imagem das ondas avançadas (IOA) de Klyshko. Utilizamos este conceito para interpretar uma série de experimentos e fazer uma conexão com estados quânticos produzidos na CPDE. Em uma primeira etapa do trabalho, realizamos um experimento de CPDStim com o objetivo de demonstrar a validade da IOA através de manipulação das frentes de onda dos feixes de bombeamento e feixe estimulador, ou feixe semente. Em uma segunda etapa, nós estudamos a CPDStim empregando um feixe semente preparado como uma superposição de modos de Laguerre-Gauss. Os resultados do experimento foram usados para validar e ilustrar uma interpretação geométrica análoga à esfera de Poincaré dos estados de polarização, concebida para representar superposições arbitrárias de modos de Hermite-Gauss de primeira ordem. Em uma terceira etapa, nós apresentamos uma generalização da IOA para a CPDStim com fontes de dois cristais em sanduíche, sendo que essa fonte permite a interação de feixes de bombeamento e semente em estados de polarização arbitrários. Com essa montagem foi possível estudar os efeitos de conjugação de fase espacial e de polarização preparando apenas o feixe semente na forma dos chamados vórtices vetoriais, que possuem uma distribuição de intensidade do tipo modo de Laguerre-Gauss e polarizações que variam ao longo do perfil transversal. Finalmente, ainda com a mesma montagem, passamos a preparar tanto o feixe de bombeamento quanto o feixe semente na forma de vórtices vetoriais. Algumas combinações bombeamento/semente variando o tipo de vórtice foram examinadas e nós demonstramos que é possível gerar várias distribuições de intensidade e polarização que podem ser utilizadas em todo tipo de aplicação de feixes de vórtices vetoriais.

Abstract: Parametric down-conversion is a Non-Linear Optics process that has been playing a prominent role in the are of Quantum Optics, and can be produced spontaneously (CPDE) or stimulated (CPDStim). CPDStim produces a more intense light beam than CDPE and can be described through a classical optics theory. However, the phase matching conditions resulting from the conservation of energy and momentum between the photons of the pump, signal and idler beams are identical to those of CPDE. This fact makes CPDStim an important tool for the investigation of the entanglement properties of the photon pairs generated in CPDE, since the quantum correlations between signal and idler photons also have their origin in the laws of conservation of the process. In this doctoral thesis its investigated the transverse spatial properties of the light produced at CPDStim and its extended to it the concept of Klyshko?s advanced wave picture (IOA). We used this concept to interpret a series of experiments and make a connection with quantum states produced at CPDE. In a first stage of the work, we conducted an experiment of CPDStim with the objective of demonstrating the validity of the IOA by manipulating the wavefronts of pump beam and the stimulating beam, or seed beam. In a second step, we studied CPDStim using a seed beam prepared as a superposition of Laguerre-Gaussian modes. The experimental results were used to validate and ilustrate a geometric interpretation analogous to the Poincaré sphere of polarization states, designed to represent arbitrary superpositions of Hermite-Gaussian modes of first order. In a third step, we present a generalization of the IOA to CPDStim with a source of two sandwich crystals, where this source allows the interaction of pump and seed beam in arbitrary polarization states. With this setup it was possible to study the effects of spatial and polarization phase conjugation by preparing only the seed beam in the form of the so-called vector vortex beam, which have an intensity distribution of the Laguerre-Gaussian mode and polarizations that vary along the transversal profile. Finally, yet with the same setup, we started to prepare both pump beam and seed beam in the form of vectorial vortex. Some pump/seed combinations varying the type of vortex were examined and we demonstrated that it is possible to generate several distributions of intensity and polarization that can be used in all types of application of vector vortex beams.