التحويل البارامتري التلقائي إلى ترددات أقل

التحويل البارامتري التلقائي (المعروف أيضًا باسم SPDC أو التألق البارامتري أو التشتت البارامتري ) هو عملية بصرية فورية غير خطية تحول فوتونًا واحدًا ذا طاقة عالية (أي فوتون الضخ ) إلى زوج من الفوتونات (أي فوتون الإشارة وفوتون التباطؤ ) ذات طاقة منخفضة، وفقًا لقوانين حفظ الطاقة وحفظ الزخم . وهي عملية مهمة في البصريات الكمومية ، لتوليد أزواج الفوتونات المتشابكة والفوتونات المفردة.

تُستخدم بلورة غير خطية لإنتاج أزواج من الفوتونات من حزمة فوتونات . ووفقًا لقانوني حفظ الطاقة والزخم ، يجب أن يكون مجموع طاقات وزخم الأزواج مساويًا لطاقة وزخم الفوتون الأصلي. ولأن معامل الانكسار يتغير بتغير التردد (التشتت ) ، فإن بعض ثلاثيات الترددات فقط هي التي تتطابق أطوارها لتحقيق حفظ الطاقة والزخم معًا. ويُحقق تطابق الطور عادةً باستخدام مواد غير خطية ثنائية الانكسار ، يتغير معامل انكسارها بتغير الاستقطاب. ونتيجةً لذلك، تُصنف أنواع مختلفة من تحويل الفوتونات التلقائي (SPDC) حسب استقطاب الفوتون الداخل ( المضخة ) والفوتونين الخارجين ( الإشارة والخامل ) .

• إذا كانت فوتونات الإشارة والفوتونات الخاملة تشترك في نفس الاستقطاب مع بعضها البعض ومع فوتون الضخ، فإنه يعتبر من النوع 0 SPDC. ^{[ 1 ]}
• إذا كانت فوتونات الإشارة والفوتونات الخاملة تشترك في نفس الاستقطاب مع بعضها البعض، ولكنها متعامدة مع استقطاب المضخة، فإنها من النوع الأول SPDC.
• إذا كانت فوتونات الإشارة والفوتونات الخاملة ذات استقطاب متعامد، فإنه يعتبر من النوع الثاني من SPDC. ^{[ 2 ]}

^{عادةً ما تكون} كفاءة تحويل SPDC منخفضة جدًا، حيث تُحقق أعلى كفاءة عند حوالي 4 × 10⁻⁶ فوتون وارد باستخدام نيوبات الليثيوم المستقطب دوريًا (PPLN) في الموجهات الضوئية. ^{[ 3 ]} مع ذلك، إذا تم رصد نصف الزوج في أي وقت، فمن المعروف وجود النصف الآخر. الجزء المتدهور من خرج محول التردد من النوع الأول هو فراغ مضغوط يحتوي فقط على عدد زوجي من الفوتونات . أما خرج محول التردد من النوع الثاني فهو فراغ مضغوط ثنائي النمط.

في تصميم شائع لأجهزة تحويل الطاقة التلقائي (SPDC)، يُوجَّه شعاع ليزر قوي، يُسمى شعاع "الضخ"، نحو بلورة من بورات الباريوم بيتا (BBO) أو نيوبات الليثيوم . تخترق معظم الفوتونات البلورة مباشرةً. مع ذلك، في بعض الأحيان، تخضع بعض الفوتونات لتحويل تلقائي تنازلي مع ارتباط استقطابي من النوع الثاني، وتكون مسارات أزواج الفوتونات المترابطة الناتجة محصورة على جانبي مخروطين محوريهما متناظران بالنسبة لشعاع الضخ. وبسبب قانون حفظ الزخم، يقع الفوتونان دائمًا بشكل متناظر على جانبي المخروطين، بالنسبة لشعاع الضخ. على وجه الخصوص، تقع مسارات نسبة صغيرة من أزواج الفوتونات في آنٍ واحد على الخطين اللذين يتقاطع فيهما سطحا المخروطين. ينتج عن ذلك تشابك استقطاب أزواج الفوتونات الخارجة على هذين الخطين. وتكون أزواج الفوتونات في حالة تراكب كمي متساوي الوزن للحالات غير المتشابكة${\displaystyle \vert H\rangle \vert V\rangle }$و${\displaystyle \vert V\rangle \vert H\rangle }$، بما يتوافق مع استقطاب الفوتون الأيسر، والفوتون الأيمن. ^{[ 4 ] [ 5 ] : 205}

ومن البلورات الأخرى فوسفات ثنائي هيدروجين البوتاسيوم (KDP )، والذي يستخدم في الغالب في التحويل السفلي من النوع الأول، حيث يكون لكلا الفوتونين نفس الاستقطاب. ^{[ 6 ]}

تتضمن بعض خصائص البلورات غير الخطية الفعالة في تحويل الترددات البارامترية ما يلي:

1. اللاخطية: يتغير معامل انكسار البلورة بتغير شدة الضوء الساقط. وهذا ما يُعرف بالاستجابة البصرية اللاخطية.
2. الدورية: تتميز البلورة ببنية منتظمة ومتكررة. تُعرف هذه البنية باسم بنية الشبكة البلورية ، وهي المسؤولة عن الترتيب المنتظم للذرات في البلورة.
3. التباين البصري (أو الانكسار المزدوج): البلورة لها معاملات انكسار مختلفة على طول محاور بلورية مختلفة.
4. الحساسية لدرجة الحرارة والضغط: يمكن أن تتغير اللاخطية للبلورة مع درجة الحرارة والضغط، وبالتالي يجب حفظ البلورة في بيئة مستقرة من حيث درجة الحرارة والضغط.
5. معامل غير خطي عالي: من المرغوب فيه الحصول على معامل غير خطي كبير، وهذا يسمح بتوليد عدد كبير من الفوتونات المتشابكة.
6. عتبة عالية للتلف البصري : يمكن للبلورة ذات عتبة التلف البصري العالية أن تتحمل شدة عالية لشعاع الضخ.
7. الشفافية في نطاق الطول الموجي المطلوب: من المهم أن تكون البلورة شفافة في نطاق الطول الموجي لشعاع الضخ من أجل تفاعلات غير خطية فعالة
8. جودة بصرية عالية وامتصاص منخفض: يجب أن تتمتع البلورة بجودة بصرية عالية وامتصاص منخفض لتقليل فقدان شعاع الضخ والفوتونات المتشابكة المتولدة.

تم إثبات تقنية SPDC في وقت مبكر من عام 1967 على يد كل من إس إي هاريس ، وإم كيه أوشمان، وآر إل باير ، ^{[ 7 ]} وكذلك على يد دي ماجد وإتش ماهر. ^{[ 8 ]} وطُبقت هذه التقنية لأول مرة على تجارب متعلقة بالتماسك من قبل زوجين مستقلين من الباحثين في أواخر ثمانينيات القرن العشرين: كارول آلي ويانهوا شيه، وروبامانجاري غوش وليونارد ماندل . ^{[ 9 ] [ 10 ]} وقد تم اكتشاف الازدواجية بين الانبعاثات غير المتماسكة ( نظرية فان سيترت-زيرنيك ) وانبعاثات الفوتونين. ^{[ 11 ]}

تتيح عملية تحويل الفوتونات المفردة (SPDC) إنشاء حقول بصرية تحتوي (بتقريب جيد) على فوتون واحد. ومنذ عام 2005، تُعد هذه الآلية السائدة لتوليد الفوتونات المفردة (المعروفة أيضًا باسم حالات فوك ). ^{[ 12 ]} تُستخدم الفوتونات المفردة، بالإضافة إلى أزواج الفوتونات، بشكل شائع في تجارب وتطبيقات المعلومات الكمومية، مثل التشفير الكمومي وتجارب اختبار بيل .

تُستخدم تقنية SPDC على نطاق واسع لإنشاء أزواج من الفوتونات المتشابكة ذات درجة عالية من الارتباط المكاني. ^{[ 13 ]} تُستخدم هذه الأزواج في التصوير الطيفي ، حيث يتم دمج المعلومات من كاشفين ضوئيين: كاشف تقليدي متعدد البكسلات لا يرى الجسم، وكاشف أحادي البكسل (كاشف دلو) يرى الجسم.

تم اقتراح التأثير المرصود حديثًا لانبعاث فوتونين من أشباه الموصلات المُشغَّلة كهربائيًا كأساس لمصادر أكثر كفاءة لأزواج الفوتونات المتشابكة. ^{[ 14 ]} وبخلاف أزواج الفوتونات المُولَّدة بواسطة تحويل الفوتونات التلقائي (SPDC)، فإن فوتونات الزوج المنبعث من شبه الموصل عادةً ما تكون غير متطابقة، بل لها طاقات مختلفة. ^{[ 15 ]} وحتى وقت قريب، وفي ظل قيود عدم اليقين الكمومي، كان يُفترض أن زوج الفوتونات المنبعثة متجاور في نفس الموقع: أي أنها تنشأ من نفس المكان. ومع ذلك، فقد أبرزت آلية جديدة غير موضعية لإنتاج أزواج الفوتونات المترابطة في تحويل الفوتونات التلقائي (SPDC) أنه في بعض الأحيان يمكن أن تنبعث الفوتونات الفردية التي تُكوِّن الزوج من نقاط منفصلة مكانيًا. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

• تحويل الفوتون إلى طاقة أعلى