JP3726250B2 - パラメトリック蛍光対発生装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、互いに発生時刻の等しい対光子を含むような２つの光子ビームを発生するパラメトリック蛍光対発生装置、特にビームに含まれる光子の発生時刻の特定が可能なパラメトリック蛍光対発生装置に関するものである。量子暗号通信システム、量子計算システム、ならびに分析システム等での利用が可能である。
【０００２】
【従来の技術】
光子がいつどこに存在するかは、同時刻に発生するような光子対を発生できれば、そのうちの一方を測定する事で知ることができる。このような時間的に高い相関を持つ光子対の発生方法としては、現在パラメトリック蛍光対が一般に用いられている。
【０００３】
パラメトリック蛍光対とは、非線形光学媒質中に、
【０００４】
【数１】
【０００５】
の光子が入射したときに発生する、
【０００６】
【数２】
【０００７】
はプランク定数ｈ＝6.62×10-34［ｊ・ｓ］を２πで割ったもの、ωs，ωi，ωoはそれぞれシグナル光子ビーム、アイドラ光子ビーム（光子対のそれぞれをここでは慣習にしたがってこう呼ぶ。）、ならびに入射光子の角振動数である。このとき、エネルギー保存則から、
【０００８】
【数３】
【０００９】
の関係が成り立つ。一方、運動量保存に相当する関係として、
【００１０】
【数４】
【００１１】
が成り立つ。ここで、ｋs ，ｋi ，ｋoはそれぞれシグナル光子ビーム、アイドラ光子ビーム、ならびに入射光子の波数ベクトルである。式１および式２の条件は位相整合条件と呼ばれる。パラメトリック蛍光の発生には、十分な非線形定数を有する媒質中で、この位相整合条件が満たされる必要が有る。
【００１２】
図１４は、論文「Sergienko et. al., Journal of Optical Society of America B, 1995 May Vol.12, No.5 pp859, 'Experimental evaluation of a two photon wave packet in type-II parametric downconversion'」によるパラメトリック蛍光対を利用する従来技術の一例である。
【００１３】
図１４において、１３はアルゴンレーザー、１４は入射ポンプ光、１５は分散プリズム、２５はＢＢＯ結晶、３１は分散プリズム、３２はパラメトリック蛍光ビームである。実験は、発生した光子対の時間相関等を測定するものであるが、図１４では、簡単のために、光子ビーム発生以外の部分は省略してある。
【００１４】
アルゴンレーザー１３は、単一周波数の紫外線レーザー光 (351.1nm)である入射ポンプ光１４を発生する。分散プリズム１５は、アルゴンレーザーから発生した光のうち、波長351.1nm の成分以外を取り除くために用いられている。パラメトリック蛍光は、入射ポンプ光１４の入射に伴い、ＢＢＯ結晶２５内で発生する。この実験では、ＢＢＯ結晶２５の結晶軸と入射ポンプ光１４とのなす角を、相互平行（collinear)条件である、49.2度にして実験を行っている。相互平行条件とは、入射ポンプ光１４および、蛍光対の生成時の波数ベクトルが互いに平行であるような条件である。この条件については、本発明の実施例において詳述する。発生したパラメトリック蛍光ビーム３２は、入射ポンプ光１４と同じ軸にのっているため、分散プリズム３１によって入射ポンプ光を分離した後、利用される。
【００１５】
相互平行条件は、この一例に限らず、蛍光対発生実験において一般に広く用いられている。その理由は、次のようなものである。光学系を構築する際には、基準となるレーザー光の像や、そのレーザー光が光学部品の表面で反射されたものの像を観察しながら、部品の位置や傾きを調整して行う。一般に、パラメトリック蛍光の強度は微弱で、どの位置にどの方向へ蛍光が発生しているかの検出には冷却ＣＣＤなどの特殊な装置を必要とし、実験系構築が難しい。しかし、相互平行条件においては、ポンプ用紫外光と蛍光対が同じ方向に発生するので、蛍光と波長の近い参照用レーザー光をポンプ用紫外光と同軸にセットして用いれば、実験系構築が比較的容易になる。
【００１６】
しかし、相互平行条件を用いた蛍光対発生には、大きな欠点が在った。それは、相互平行条件では、パラメトリック蛍光が実際には大きな角度（本例では6.5 度）に広がっていて、実験等に利用されるポンプ用紫外光と同じ方向に射出される蛍光対は、発生している蛍光対の内の一部であるという事であった。このため、従来は
１．断面が円または楕円状の、利用が容易なビームへと変換することが困難である。
【００１７】
２．互いに相関をもつ方向の光子を切り出してくる事もまた困難である。
【００１８】
３．パラメトリック蛍光の、単位放射角度あたりの光量も小さい。
といった困難が在った。以下、これらの欠点ならびに困難が生じる理由を具体的に説明する。
【００１９】
図１５に、論文「'Proposal for a loophole-free Bell inequality experiment', Paul G.Kwiat, et. al., Physical Review A, Vol.49, No.5, (1994) pp3209 」による、相互平行条件におけるパラメトリック蛍光対の発生角度の計算結果を示す。
【００２０】
図１５は、紙面の後方から紙面に垂直にポンプ用紫外光が結晶に入射した状態で、蛍光の放出がポンプ用紫外光からどういう角度で放出されるかを示している。上方向が結晶の光学軸方向である。白抜き三角が異常偏光、白抜き丸が常偏光の蛍光の放出角度である。原点の位置で白抜き三角と白抜き丸が両方存在しており、この角度が相互平行条件であることに対応している。このように、相互平行条件においては、蛍光対は大きな角度に広がって放出されており、これまでの実験で広く行われているようにポンプ用紫外光と同じ方向に射出される蛍光対のみを用いた場合には、先に述べたように次のような困難が生じていた。
【００２１】
１．図１５からわかるように、ポンプ用紫外光と同じ方向に射出される蛍光を利用する場合は、図８の写真に見られるように円弧の一部として切り出されることになる。いったんこのような形で切り出された光線を、その蛍光強度を減少させず、これを円または楕円等の断面のビームへと変換する事は困難である。またこれを適当なピンホール等を用いてそのように変換した場合、ピンホール等でのロスにより、利用可能な蛍光対の数が減少することになる。
【００２２】
２．発生した蛍光対は、図１５において、原点対称な位置へと放出される。このため、それぞれのビームに発生した蛍光対の双方がもれ少なく含まれているような（これを「よい相関をもつ」という）蛍光対ビームを得るためには、原点対称性に十分注意を払い、切り出しを行わなければならないが、そうする事は困難であった。
【００２３】
３．たとえば、先に挙げた論文「Sergienko et. al., Journal of Optical Society of America B, 1995 May Vol.12, No.5 pp859, 'Experimental evaluation of a two photon wave packet in type-II parametric downconversion'」の実験では、蛍光対としては毎秒２０対程度しか利用できていない。これは、結晶から発生している蛍光対の一部しか利用できないのが大きな理由である。
【００２４】
このようなパラメトリック蛍光対の発生には、ポンプ光に対する出力光の比であるゲインという概念はなく、出力効率は、発生された蛍光対の全量のうちで、限られたビームの立体角内に発生できる蛍光対の量をいかに多くするかで決まる。この点で、キャビティを用いてレーザー光の連続発振を行うＯＰＯ（オプチカル・パラメトリック発振装置）がゲインで出力を評価できるのとは異なっている。ＯＰＯは、たとえば論文「IEEE Jouranal of Quantum Electronics, Vol.33,No.1,pp1-9(January 1997) D.T.Reid et. al.」に記載されているように、キャビティ中にＫＴＡが置かれ、ＫＴＡに入射されるポンプ光の波長にキャビティの共振波長を同期させるようにしてパラメトリック発振が励起されて、シグナル光とアイドラ光が発生される。しかしＯＰＯの場合、ＫＴＡに入射するポンプ光は、キャビティにより多数の光子が光子数と位相ともに確定しない重ね合わせ状態にあり、これらのポンプ光子から変換されて生じるシグナル光とアイドラ光においても、それぞれ複数のシグナル光子とアイドラ光子が光子数と位相ともに確定しない重ね合わせ状態となる。このため、ＯＰＯでは、ポンプ光の１光子がパラメトリック蛍光過程においてエネルギー保存則のもとで２光子に***することから同時性が保証されるパラメトリック蛍光対の同時検出は不可能であり、パラメトリック蛍光対の発生装置として使用されることはできない。
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
これまでの方法では、大きな角度に広がって放出されているパラメトリック蛍光の一部を利用していた為、断面が円または楕円上のビームへと変換することが困難であった。また、互いに相関をもつ方向の光子を切り出してくる事もまた困難であった。さらに、パラメトリック蛍光の、単位放射角度あたりの光量も小さかった。
【００２６】
この発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、断面が円または楕円のビームへと変換することが容易な、小さな角度広がりをもつパラメトリック蛍光を発生することを目的とする。さらに、小さな角度広がりが得られることの結果として、単位放射角度当たりの光量を大きくする事を目的とする。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明に係るパラメトリック蛍光対発生装置は、入射ポンプ光発生部と、非線形光学媒質からなり入射ポンプ光によりパラメトリック蛍光対を発生させる光子対発生部とを備えたパラメトリック蛍光対発生装置であって、光子対発生部の光学軸と入射ポンプ光のなす角度は、蛍光波長と蛍光放出角度の関係によりパラメトリック変換の常偏光と異常偏光のチューニングカーブを表わしたとき、常偏光と異常偏光のチューニングカーブの各頂点が、ともにある特定の単一波長ａの直線に接するような角度である。
（２）また、本発明に係る他のパラメトリック蛍光対発生装置は、入射ポンプ光発生部と、非線形光学媒質からなり入射ポンプ光によりパラメトリック蛍光対を発生させる光子対発生部とを備えたパラメトリック蛍光対発生装置であって、光子対発生部の光学軸と入射ポンプ光のなす角度は、蛍光波長と蛍光放出角度の関係によりパラメトリック変換の常偏光と異常偏光のチューニングカーブを表わしたとき、常偏光と異常偏光のチューニングカーブの各頂点がそれぞれ異なる特定の波長ａの直線と波長ｂの直線に接するような角度であり、互いに発生時刻の等しい波長ａと波長ｂの対光子を含むような２つの光子ビームを発生するものである。
（３）また、以上のような光子対生成部に加えて、発生した光子対の一方を検出する検出部を備え、ビームに含まれる個々の光子の発生時刻を特定可能にしたものである。
（４）また、以上のような光子対生成部に加えて、発生した２つの光子ビームをそれぞれ集光するレンズ、ならびにそれらの光子ビームが伝播する光ファイバーを備えたものである。
（５）また、以上のような光子対生成部に加えて、発生した２つの光子ビームが伝播する光ファイバーを備えたものである。
【００２８】
【作用】
（１）本発明においては、入射ポンプ光発生部からの入射ポンプ光の入射に伴い、光子対発生部において、互いに発生時刻の等しい波長ａの対光子を含むような２つの角度広がりの小さい光子ビームを発生する。
（２）また、入射ポンプ光発生部からの入射ポンプ光の入射に伴い、光子対発生部において、互いに発生時刻の等しい波長ａ，ｂの対光子を含むような角度広がりの小さい２つの光子ビームを発生する。
（３）また、光子対生成部から発生した光子対の一方を検出することによって、もう一方のビームに含まれる光子の発生時刻を特定する。
（４）また、光子対生成部が発生するそれぞれの光子ビームをレンズで集光し、光ファイバーに入射することで効率良く光ファイバーへ光子ビームを供給する。
（５）また、光子対生成部が発生するそれぞれの光子ビームを直接光ファイバーに入射することで効率良く光ファイバーへ光子ビームを供給する。
【００２９】
【実施例】
（１）実施例１
図１はこの発明によるパラメトリック蛍光対発生装置の一実施例の全体構成図である。図１において、１は入射ポンプ光発生部、２は入射ポンプ光発生部から射出される入射ポンプ光、３は非線形光学媒質、４はシグナル光子ビーム、５はアイドラ光子ビームである。
【００３０】
次ぎに、上記実施例１の原理を図２から図６を用いて説明する。非線形光学媒質が一軸性結晶の場合、屈折率が光線の伝播方向によって異なる偏光方向と、伝播方向によって異ならない偏光方向が存在する。前者を異常偏光、後者を常偏光と呼ぶ。
【００３１】
図２は、図１における非線形光学媒質３の屈折率面を示したものである。図２において、６は入射ポンプ光の波数ベクトル、７は異常偏光波数ベクトル、８は常偏光波数ベクトル、９は常偏光の屈折率面、１０は異常偏光の屈折率面である。式２で与えられる位相整合条件から、異常偏光波数ベクトル７および常偏光波数ベクトル８の和が入射ポンプ光の波数ベクトル６に等しいとき、パラメトリック蛍光対が発生する。図２のように、異常偏光と常偏光が同じ向きで位相整合条件がみたされるような場合を相互平行（collinear)な蛍光対の発生と呼び、またそのときの光学軸の入射ポンプ光となす角度を、相互平行条件角度と呼ぶ。図２は、蛍光対のエネルギーがそれぞれ入射ポンプ光のエネルギーの半分の場合であるが、一般には従来の技術に述べた式１，２を満たせば、特に半分である必要はない。従来の技術で述べたように、これまでは主にこの相互平行条件が一般に用いられてきた。
【００３２】
図３，図４，図５に示すものは、文献「T,B. Pittman et. al., Two Photon geometric optics, Phys Rev A Vol.53 No.4 (1996) 」に示されているT,B. Pittmanらによるパラメトリック蛍光発生についての論理計算結果である。彼らの計算では、図１においての非線形光学媒質３としてＢＢＯ結晶の光学軸と入射ポンプ光２（波長351.1nm)のなす角度を相互平行条件角度にした場合で、横軸は波長（マイクロメートル）、縦軸は放出角度（パラメトリック蛍光対の結晶内での放出方向が入射ポンプ光となす角度）を示している。点線は異常偏光、実線は常偏光の蛍光である。これらの曲線の事をチューニングカーブと呼ぶ。
図３は、相互平行条件における角度の場合であるため、波長 702.2nm、放出角度０度において、実線と点線が接している。つまり、波長 702.2nmの異常偏光と常偏光の蛍光が入射光と同じ方向に射出される事を示している。また、 702.2nmの異常偏光は角度プラス 6.5度にも、常偏光は角度マイナス 6.5度にも放出される事を示している。これは、図６からわかるように、位相整合条件式２が満たすのは相互平行な蛍光対７、８だけでなく、異常偏光光子１１と常偏光光子１２の対でも式２を満たし得るからである。
【００３３】
図４は、光学軸と入射ポンプ光のなす角度を、相互平行条件の49.2度よりも小さくした例（45.8度）である。この場合、異常偏光は約 770nmよりも長い波長のものしか、それに対する常偏光は、約 650nmよりも小さい波長のものしか放出されない事がわかる。例えば、この場合入射ポンプ光と同じ方向には、 790nmの波長の異常偏光と、 630nmの波長の常偏光が放出される事が示されている。
【００３４】
図５は、光学軸と入射ポンプ光のなす角度を、相互平行条件よりも大きくした場合の例（52.7度）である。この場合、たとえば 702.2nmの異常偏光の光子は、プラス１１度およびマイナス４度、常偏光の光子は、プラス４度およびマイナス１１度に放出される事が示されている。
【００３５】
このように入射角度によって、異常偏光と常偏光の放出角度が様々に変化する。
【００３６】
従来は、相互平行条件のもとで大きな角度にわたって放出されているパラメトリック蛍光の一部のみを利用していたため、断面が円または楕円上のビームへと変換することが困難であり、また互いに相関をもつ方向の光子を切り出してくる事もまた困難であった。我々は、この課題を解決するため、異常偏光と常偏光のチューニングカーブが波長 702.2nmの直線に接するような場合に着目した。この場合を図７に示す。この場合、パラメトリック蛍光の702.2nmの成分は、常偏光−３度、異常偏光＋３度の方向にのみ射出されることになる。
【００３７】
図８，図９，図１０に、我々が実際に実験を行った結果を示す。図８は、光学軸と入射ポンプ光のなす角度を、相互平行条件角度の49.2度にした場合に、入射ポンプ光と同じ方向に向かって放出されるパラメトリック蛍光を、波長702nmの光だけを透過するフィルターを通じて冷却ＣＣＤカメラを用いて撮影したものである。この写真に写っている範囲は、放出角度で約±1.5 度に相当する。２つの円弧が一点で接しており、この接している方向が入射ポンプ光の方向である。このように、パラメトリック蛍光は大きく広がって放出されていることがわかる。
【００３８】
図９は、光学軸と入射ポンプ光のなす角度を48.3度にした場合の、パラメトリック蛍光である。この像から、放出角度 0.8度以下で実際に放出されている事がわかる。また、この状態で得られている蛍光の量は、途中の光学部品における吸収がないと仮定した場合の値で、各ビームあたり入射ポンプ光 0.1Ｗ入射時で 1.8×106 ＣＰＳであった。
【００３９】
このように、我々は結晶の角度を入射ポンプ光に対して特定の角度に調節する事により、角度広がりの小さいビーム状にする方法を発明した。
【００４０】
本実施例では、入射ポンプ光発生部での光源として、 351.1nmで発振するアルゴンレーザーを用いていたが、もちろん他の波長、他のレーザー光源を用いる事も可能である。
【００４１】
ＢＢＯ結晶を非線形光学媒質として用いたが、もちろんＫＤＰ、有機非線形光学材料等他の材料を用いることも可能である。また、ここでは一軸性結晶を例にとったが、一般の２軸性結晶でも同様にして非線形光学媒質として用いる事ができる。
（２）実施例２
実施例１では、異常偏光と常偏光のチューニングカーブが両方とも波長 702.2nmの直線に接するような場合に着目したが、もちろん、別々の波長において頂点をもつ場合を利用することも可能である。
【００４２】
例えば異常偏光が波長 710nm、常偏光が波長 694.5nmにおいて頂点をもつようなチューニングカーブを用いる場合、それぞれの波長の光が単一光子ビームとして放出される。このとき、光学軸と入射ポンプ光のなす角度は48.0度である。
（３）実施例３
本発明のさらに他の実施例を図１０に示す。図１０において、１３はアルゴンレーザー、１４は入射ポンプ光、１５は分散プリズム、１６は暗箱、１７はミラー、１８はダイクロックミラー、１９はビームストップ、２０はレンズ、２１は短波長光カットフィルタ、２２は狭帯域透過フィルタ、２３はディテクタ、２４は単一光子ビーム、２５はＢＢＯ結晶、２６はレンズである。
【００４３】
この実施例において、アルゴンレーザー１３は単一周波数で動作し、パラメトリック蛍光発生用の入射ポンプ光１４（351.1nm)を発生する。分散プリズム１５によって、レーザー内で発生した雑音光を取り除いた後、入射ポンプ光１４は暗箱１６に入射される。暗箱１６にはポンプ光入射用と、発生した単一光子ビーム２４を射出するための孔があけられている。パラメトリック蛍光は一般に微弱であるため、外部からの光がノイズとしてディテクタ２３に入らないようにするため、暗箱１６中に系は構築される。入射ポンプ光１４はミラー１７によって適当な角度に曲げられる。この角度によって、単一光子ビーム２４の射出方向がきまる。曲げられた入射ポンプ光１４は、ＢＢＯ結晶２５に入射される。ＢＢＯ結晶２５は、あらかじめ、入射ポンプ光の垂直入射時、光学軸がパラメトリック蛍光発生に適した角度に向くよう切り出されている。また、切り出し時や温度等条件による誤差は、ＢＢＯ結晶２５に取り付けられた角度微調装置によって補正される。入射ポンプ光１４はＢＢＯ結晶２５を透過した後、ビームストップ１９によって吸収される。結晶中で生成した光子対のうち、シグナル光子ビーム４は、レンズ２０によって集光された後、暗箱内での背景ノイズ光を除外するための短波長光カットフィルタ２１、狭帯域透過フィルタ２２を通してディテクタ２３に入射される。ディテクタ２３としては、光子計数が可能な光電子倍増管等が使用可能である。また、アイドラ光子ビーム５はレンズ２６によって平行ビームとし、暗箱の外へ単一光子ビーム２４として射出される。
【００４４】
単一光子ビーム２４を、シグナル光子ビーム４と同様にレンズならびにフィルタを用いてディテクタに集光し、同時計数を行った所、ディテクタの量子効率を１とした場合、同時計数値として 2.9×104ＣＰＳを得た。このときの入射ポンプ光強度は約 0.3Ｗである。我々が、入射ポンプ光強度 0.3Ｗにより相互平行条件で同様の実験を行った際得られた同様の同時計数値 1.3×104ＣＰＳと比較して、強い同時計数値、すなわち強い強度の発生時刻の確定した光子ビームを得る事ができた。
（４）実施例４
本発明のさらに他の実施例を図１１に示す。ここで、２は入射ポンプ光、３は非線形光学媒質、４はシグナル光子ビーム、５はアイドラ光子ビーム、２７，２８はレンズ、２９，３０は光ファイバーである。入射ポンプ光２によって非線形光学媒質３において発生したシグナル光子ビーム４およびアイドラ光子ビーム５は、それぞれレンズ２７，２８によって光ファイバー２９，３０へと入射される。
【００４５】
効率良く光子ビームをファイバーへ入射するためには、ファイバー固有の開口数をＮＡとするとき、ファイバー（コア）材料の屈折率をｎとすると、
ＮＡ＝ｎ sin（α／２） （３）
できまる角度αより小さな角度でファイバー端面にビームを入射しなければファイバー中を光は伝播しない（図１２）。しかし従来の方法では、パラメトリック蛍光が大きな角度範囲に広がって放出されるため、集光レンズの位置での蛍光の像が大きくなり、結果としてレンズからファイバー端面までに長い距離を必要とした。
【００４６】
しかし、実施例１でも述べたように、本発明では蛍光をシグナル光子ビーム４またはアイドラ光子ビーム５として小さな角度で発生することが可能になった。結果として、集光レンズの位置での蛍光の像が小さくなり、レンズからファイバー端面までの距離を小さくする事が可能になり、装置を小型化する事ができた。
（５）実施例５
本発明のさらに他の実施例を図１３に示す。この実施例は、実施例３におけるレンズ２７，２８を省き直接シグナル光子ビーム４およびアイドラ光子ビーム５を光ファイバー２９および３０に入射したものである。
【００４７】
従来の方法では、非線形光学媒質から放出されるビームの広がりが大きく、また光ファイバー２９，ファイバー３０の端面を非線形光学媒質に近づけすぎると入射ポンプ光２もファイバーに入射しノイズが増大してしまうため、直接光ファイバーにシグナル光子ビーム４およびアイドラ光子ビーム５を効率良く入射する事は大変困難であった。
【００４８】
しかし、この前の実施例でも述べたように、本発明では蛍光をシグナル光子ビーム４またはアイドラ光子ビーム５として小さな角度で発生することが可能になった。この結果として、光ファイバー２９，３０が適当なコア径を有する場合、レンズを介さずとも直接ファイバーに入射することが可能になった。これにより、装置を小型化することができ、また光学系調整に要する手間も省けるようになった。
【００４９】
ちなみに、図１３においては光ファイバー端面と非線形光学媒質が離れて描かれているが、これらを接触させる事ももちろん可能である。
（６）実施例６
本発明のさらに他の実施例として、シグナル光子ビーム、アイドラ光子ビームのうち一方を実施例３のようにレンズを用いて集光してファイバーに入射し、もう一方を実施例４のように直接ファイバーに入射することが可能である。これは、たとえばアイドラ光子ビームを検出することにより発生時刻の確定した単一光子ビームを得ようとする場合、アイドラ光子ビームは単に検出するだけであり伝達距離が短くてもよいので、光ファイバーとして大口径の可能なマルチモードファイバーを用い直接入射し、また単一光子ビームとして長距離を伝送する必要の有るシグナル光子ビームは、光ファイバーとして長距離伝送の可能なシングルモードファイバーを利用し、ファイバーコア径が小さいため、レンズを用いてファイバーに入射するなどが具体的な例である。
【００５０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、非線形光学媒質の、光学軸と入射ポンプ光とのなす角を特定の角度にすることにより、断面が円または楕円のビームへと変換することが容易な、小さな角度広がりをもつパラメトリック蛍光対を発生することができる。
【００５１】
また、それらのビームの一方を検出する事で、発生時刻の特定可能な単一光子ビームを発生する事ができる。
【００５２】
また、発生するビームの角度広がりが小さいため、光ファイバーへの集光レンズとファイバー端面の距離を小さくする事ができる。
【００５３】
また、発生するビームの角度広がりが小さいため、光ファイバーへ集光レンズを用いず直接入射する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるパラメトリック蛍光対発生装置の一実施例の全体構成図である。
【図２】 本発明による光子発生の仕組みの説明図である。
【図３】 相互平行条件における蛍光放出角度と蛍光の波長の関係を示す図である。
【図４】 結晶の光学軸と入射ポンプ光のなす角度が相互平行条件よりも小さい場合の一例の蛍光放出角度と蛍光の波長の関係を示す図である。
【図５】 結晶の光学軸と入射ポンプ光のなす角度が相互平行条件よりも大きい場合の一例の蛍光放出角度と蛍光の波長の関係を示す図である。
【図６】 本発明による光子発生の仕組みの説明図である。
【図７】 本発明における蛍光放出角度と蛍光の波長の関係の一例を示す図である。
【図８】 相互平行条件において入射ポンプ光の光軸方向から眺めたパラメトリック蛍光を撮影した写真を示す図である。
【図９】 本発明によって発生したパラメトリック蛍光を撮影した写真を示す図である。
【図１０】 本発明によるパラメトリック蛍光対発生装置の他の一実施例の全体構成図である。
【図１１】 本発明によるパラメトリック蛍光対発生装置の他の一実施例の全体構成図である。
【図１２】 パラメトリック蛍光を光ファイバーに効率良く入射する条件を説明する図である。
【図１３】 本発明によるパラメトリック蛍光対発生装置の他の一実施例の全体構成図である。
【図１４】 従来の光子ビーム発生装置の一例の全体構成図である。
【図１５】 従来の光子ビーム発生装置の一例から放出される蛍光の放出角度を示す図である。
【符号の説明】
１：入射ポンプ光発生部
２：入射ポンプ光
３：非線形光学媒質
４：シグナル光子ビーム
５：アイドラ光子ビーム
６：入射ポンプ光の波数ベクトル
７：異常偏光波数ベクトル
８：常偏光波数ベクトル
９：常偏光の屈折率面
１０：異常偏光の屈折率面
１１：異常偏光波数ベクトル
１２：常偏光波数ベクトル
１３：アルゴンレーザー
１４：入射ポンプ光
１５：分散プリズム
１６：暗箱
１７：ミラー
１８：ダイクロックミラー
１９：ビームストップ
２０：レンズ
２１：短波長光カットフィルタ
２２：狭帯域透過フィルタ
２３：ディテクタ
２４：単一光子ビーム
２５：ＢＢＯ結晶
２６：レンズ
２７：レンズ
２８：レンズ
２９：光ファイバー
３０：光ファイバー
３１：分散プリズム
３２：パラメトリック蛍光ビーム
【発明の属する技術分野】
本発明は、互いに発生時刻の等しい対光子を含むような２つの光子ビームを発生するパラメトリック蛍光対発生装置、特にビームに含まれる光子の発生時刻の特定が可能なパラメトリック蛍光対発生装置に関するものである。量子暗号通信システム、量子計算システム、ならびに分析システム等での利用が可能である。
【０００２】
【従来の技術】
光子がいつどこに存在するかは、同時刻に発生するような光子対を発生できれば、そのうちの一方を測定する事で知ることができる。このような時間的に高い相関を持つ光子対の発生方法としては、現在パラメトリック蛍光対が一般に用いられている。
【０００３】
パラメトリック蛍光対とは、非線形光学媒質中に、
【０００４】
【数１】
の光子が入射したときに発生する、
【０００６】
【数２】
はプランク定数ｈ＝6.62×10-34［ｊ・ｓ］を２πで割ったもの、ωs，ωi，ωoはそれぞれシグナル光子ビーム、アイドラ光子ビーム（光子対のそれぞれをここでは慣習にしたがってこう呼ぶ。）、ならびに入射光子の角振動数である。このとき、エネルギー保存則から、
【０００８】
【数３】
の関係が成り立つ。一方、運動量保存に相当する関係として、
【００１０】
【数４】
が成り立つ。ここで、ｋs ，ｋi ，ｋoはそれぞれシグナル光子ビーム、アイドラ光子ビーム、ならびに入射光子の波数ベクトルである。式１および式２の条件は位相整合条件と呼ばれる。パラメトリック蛍光の発生には、十分な非線形定数を有する媒質中で、この位相整合条件が満たされる必要が有る。
【００１２】
図１４は、論文「Sergienko et. al., Journal of Optical Society of America B, 1995 May Vol.12, No.5 pp859, 'Experimental evaluation of a two photon wave packet in type-II parametric downconversion'」によるパラメトリック蛍光対を利用する従来技術の一例である。
【００１３】
図１４において、１３はアルゴンレーザー、１４は入射ポンプ光、１５は分散プリズム、２５はＢＢＯ結晶、３１は分散プリズム、３２はパラメトリック蛍光ビームである。実験は、発生した光子対の時間相関等を測定するものであるが、図１４では、簡単のために、光子ビーム発生以外の部分は省略してある。
【００１４】
アルゴンレーザー１３は、単一周波数の紫外線レーザー光 (351.1nm)である入射ポンプ光１４を発生する。分散プリズム１５は、アルゴンレーザーから発生した光のうち、波長351.1nm の成分以外を取り除くために用いられている。パラメトリック蛍光は、入射ポンプ光１４の入射に伴い、ＢＢＯ結晶２５内で発生する。この実験では、ＢＢＯ結晶２５の結晶軸と入射ポンプ光１４とのなす角を、相互平行（collinear)条件である、49.2度にして実験を行っている。相互平行条件とは、入射ポンプ光１４および、蛍光対の生成時の波数ベクトルが互いに平行であるような条件である。この条件については、本発明の実施例において詳述する。発生したパラメトリック蛍光ビーム３２は、入射ポンプ光１４と同じ軸にのっているため、分散プリズム３１によって入射ポンプ光を分離した後、利用される。
【００１５】
相互平行条件は、この一例に限らず、蛍光対発生実験において一般に広く用いられている。その理由は、次のようなものである。光学系を構築する際には、基準となるレーザー光の像や、そのレーザー光が光学部品の表面で反射されたものの像を観察しながら、部品の位置や傾きを調整して行う。一般に、パラメトリック蛍光の強度は微弱で、どの位置にどの方向へ蛍光が発生しているかの検出には冷却ＣＣＤなどの特殊な装置を必要とし、実験系構築が難しい。しかし、相互平行条件においては、ポンプ用紫外光と蛍光対が同じ方向に発生するので、蛍光と波長の近い参照用レーザー光をポンプ用紫外光と同軸にセットして用いれば、実験系構築が比較的容易になる。
【００１６】
しかし、相互平行条件を用いた蛍光対発生には、大きな欠点が在った。それは、相互平行条件では、パラメトリック蛍光が実際には大きな角度（本例では6.5 度）に広がっていて、実験等に利用されるポンプ用紫外光と同じ方向に射出される蛍光対は、発生している蛍光対の内の一部であるという事であった。このため、従来は
１．断面が円または楕円状の、利用が容易なビームへと変換することが困難である。
【００１７】
２．互いに相関をもつ方向の光子を切り出してくる事もまた困難である。
【００１８】
３．パラメトリック蛍光の、単位放射角度あたりの光量も小さい。
といった困難が在った。以下、これらの欠点ならびに困難が生じる理由を具体的に説明する。
【００１９】
図１５に、論文「'Proposal for a loophole-free Bell inequality experiment', Paul G.Kwiat, et. al., Physical Review A, Vol.49, No.5, (1994) pp3209 」による、相互平行条件におけるパラメトリック蛍光対の発生角度の計算結果を示す。
【００２０】
図１５は、紙面の後方から紙面に垂直にポンプ用紫外光が結晶に入射した状態で、蛍光の放出がポンプ用紫外光からどういう角度で放出されるかを示している。上方向が結晶の光学軸方向である。白抜き三角が異常偏光、白抜き丸が常偏光の蛍光の放出角度である。原点の位置で白抜き三角と白抜き丸が両方存在しており、この角度が相互平行条件であることに対応している。このように、相互平行条件においては、蛍光対は大きな角度に広がって放出されており、これまでの実験で広く行われているようにポンプ用紫外光と同じ方向に射出される蛍光対のみを用いた場合には、先に述べたように次のような困難が生じていた。
【００２１】
１．図１５からわかるように、ポンプ用紫外光と同じ方向に射出される蛍光を利用する場合は、図８の写真に見られるように円弧の一部として切り出されることになる。いったんこのような形で切り出された光線を、その蛍光強度を減少させず、これを円または楕円等の断面のビームへと変換する事は困難である。またこれを適当なピンホール等を用いてそのように変換した場合、ピンホール等でのロスにより、利用可能な蛍光対の数が減少することになる。
【００２２】
２．発生した蛍光対は、図１５において、原点対称な位置へと放出される。このため、それぞれのビームに発生した蛍光対の双方がもれ少なく含まれているような（これを「よい相関をもつ」という）蛍光対ビームを得るためには、原点対称性に十分注意を払い、切り出しを行わなければならないが、そうする事は困難であった。
【００２３】
３．たとえば、先に挙げた論文「Sergienko et. al., Journal of Optical Society of America B, 1995 May Vol.12, No.5 pp859, 'Experimental evaluation of a two photon wave packet in type-II parametric downconversion'」の実験では、蛍光対としては毎秒２０対程度しか利用できていない。これは、結晶から発生している蛍光対の一部しか利用できないのが大きな理由である。
【００２４】
このようなパラメトリック蛍光対の発生には、ポンプ光に対する出力光の比であるゲインという概念はなく、出力効率は、発生された蛍光対の全量のうちで、限られたビームの立体角内に発生できる蛍光対の量をいかに多くするかで決まる。この点で、キャビティを用いてレーザー光の連続発振を行うＯＰＯ（オプチカル・パラメトリック発振装置）がゲインで出力を評価できるのとは異なっている。ＯＰＯは、たとえば論文「IEEE Jouranal of Quantum Electronics, Vol.33,No.1,pp1-9(January 1997) D.T.Reid et. al.」に記載されているように、キャビティ中にＫＴＡが置かれ、ＫＴＡに入射されるポンプ光の波長にキャビティの共振波長を同期させるようにしてパラメトリック発振が励起されて、シグナル光とアイドラ光が発生される。しかしＯＰＯの場合、ＫＴＡに入射するポンプ光は、キャビティにより多数の光子が光子数と位相ともに確定しない重ね合わせ状態にあり、これらのポンプ光子から変換されて生じるシグナル光とアイドラ光においても、それぞれ複数のシグナル光子とアイドラ光子が光子数と位相ともに確定しない重ね合わせ状態となる。このため、ＯＰＯでは、ポンプ光の１光子がパラメトリック蛍光過程においてエネルギー保存則のもとで２光子に***することから同時性が保証されるパラメトリック蛍光対の同時検出は不可能であり、パラメトリック蛍光対の発生装置として使用されることはできない。
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
これまでの方法では、大きな角度に広がって放出されているパラメトリック蛍光の一部を利用していた為、断面が円または楕円上のビームへと変換することが困難であった。また、互いに相関をもつ方向の光子を切り出してくる事もまた困難であった。さらに、パラメトリック蛍光の、単位放射角度あたりの光量も小さかった。
【００２６】
この発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、断面が円または楕円のビームへと変換することが容易な、小さな角度広がりをもつパラメトリック蛍光を発生することを目的とする。さらに、小さな角度広がりが得られることの結果として、単位放射角度当たりの光量を大きくする事を目的とする。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明に係るパラメトリック蛍光対発生装置は、入射ポンプ光発生部と、非線形光学媒質からなり入射ポンプ光によりパラメトリック蛍光対を発生させる光子対発生部とを備えたパラメトリック蛍光対発生装置であって、光子対発生部の光学軸と入射ポンプ光のなす角度は、蛍光波長と蛍光放出角度の関係によりパラメトリック変換の常偏光と異常偏光のチューニングカーブを表わしたとき、常偏光と異常偏光のチューニングカーブの各頂点が、ともにある特定の単一波長ａの直線に接するような角度である。
（２）また、本発明に係る他のパラメトリック蛍光対発生装置は、入射ポンプ光発生部と、非線形光学媒質からなり入射ポンプ光によりパラメトリック蛍光対を発生させる光子対発生部とを備えたパラメトリック蛍光対発生装置であって、光子対発生部の光学軸と入射ポンプ光のなす角度は、蛍光波長と蛍光放出角度の関係によりパラメトリック変換の常偏光と異常偏光のチューニングカーブを表わしたとき、常偏光と異常偏光のチューニングカーブの各頂点がそれぞれ異なる特定の波長ａの直線と波長ｂの直線に接するような角度であり、互いに発生時刻の等しい波長ａと波長ｂの対光子を含むような２つの光子ビームを発生するものである。
（３）また、以上のような光子対生成部に加えて、発生した光子対の一方を検出する検出部を備え、ビームに含まれる個々の光子の発生時刻を特定可能にしたものである。
（４）また、以上のような光子対生成部に加えて、発生した２つの光子ビームをそれぞれ集光するレンズ、ならびにそれらの光子ビームが伝播する光ファイバーを備えたものである。
（５）また、以上のような光子対生成部に加えて、発生した２つの光子ビームが伝播する光ファイバーを備えたものである。
【００２８】
【作用】
（１）本発明においては、入射ポンプ光発生部からの入射ポンプ光の入射に伴い、光子対発生部において、互いに発生時刻の等しい波長ａの対光子を含むような２つの角度広がりの小さい光子ビームを発生する。
（２）また、入射ポンプ光発生部からの入射ポンプ光の入射に伴い、光子対発生部において、互いに発生時刻の等しい波長ａ，ｂの対光子を含むような角度広がりの小さい２つの光子ビームを発生する。
（３）また、光子対生成部から発生した光子対の一方を検出することによって、もう一方のビームに含まれる光子の発生時刻を特定する。
（４）また、光子対生成部が発生するそれぞれの光子ビームをレンズで集光し、光ファイバーに入射することで効率良く光ファイバーへ光子ビームを供給する。
（５）また、光子対生成部が発生するそれぞれの光子ビームを直接光ファイバーに入射することで効率良く光ファイバーへ光子ビームを供給する。
【００２９】
【実施例】
（１）実施例１
図１はこの発明によるパラメトリック蛍光対発生装置の一実施例の全体構成図である。図１において、１は入射ポンプ光発生部、２は入射ポンプ光発生部から射出される入射ポンプ光、３は非線形光学媒質、４はシグナル光子ビーム、５はアイドラ光子ビームである。
【００３０】
次ぎに、上記実施例１の原理を図２から図６を用いて説明する。非線形光学媒質が一軸性結晶の場合、屈折率が光線の伝播方向によって異なる偏光方向と、伝播方向によって異ならない偏光方向が存在する。前者を異常偏光、後者を常偏光と呼ぶ。
【００３１】
図２は、図１における非線形光学媒質３の屈折率面を示したものである。図２において、６は入射ポンプ光の波数ベクトル、７は異常偏光波数ベクトル、８は常偏光波数ベクトル、９は常偏光の屈折率面、１０は異常偏光の屈折率面である。式２で与えられる位相整合条件から、異常偏光波数ベクトル７および常偏光波数ベクトル８の和が入射ポンプ光の波数ベクトル６に等しいとき、パラメトリック蛍光対が発生する。図２のように、異常偏光と常偏光が同じ向きで位相整合条件がみたされるような場合を相互平行（collinear)な蛍光対の発生と呼び、またそのときの光学軸の入射ポンプ光となす角度を、相互平行条件角度と呼ぶ。図２は、蛍光対のエネルギーがそれぞれ入射ポンプ光のエネルギーの半分の場合であるが、一般には従来の技術に述べた式１，２を満たせば、特に半分である必要はない。従来の技術で述べたように、これまでは主にこの相互平行条件が一般に用いられてきた。
【００３２】
図３，図４，図５に示すものは、文献「T,B. Pittman et. al., Two Photon geometric optics, Phys Rev A Vol.53 No.4 (1996) 」に示されているT,B. Pittmanらによるパラメトリック蛍光発生についての論理計算結果である。彼らの計算では、図１においての非線形光学媒質３としてＢＢＯ結晶の光学軸と入射ポンプ光２（波長351.1nm)のなす角度を相互平行条件角度にした場合で、横軸は波長（マイクロメートル）、縦軸は放出角度（パラメトリック蛍光対の結晶内での放出方向が入射ポンプ光となす角度）を示している。点線は異常偏光、実線は常偏光の蛍光である。これらの曲線の事をチューニングカーブと呼ぶ。
図３は、相互平行条件における角度の場合であるため、波長 702.2nm、放出角度０度において、実線と点線が接している。つまり、波長 702.2nmの異常偏光と常偏光の蛍光が入射光と同じ方向に射出される事を示している。また、 702.2nmの異常偏光は角度プラス 6.5度にも、常偏光は角度マイナス 6.5度にも放出される事を示している。これは、図６からわかるように、位相整合条件式２が満たすのは相互平行な蛍光対７、８だけでなく、異常偏光光子１１と常偏光光子１２の対でも式２を満たし得るからである。
【００３３】
図４は、光学軸と入射ポンプ光のなす角度を、相互平行条件の49.2度よりも小さくした例（45.8度）である。この場合、異常偏光は約 770nmよりも長い波長のものしか、それに対する常偏光は、約 650nmよりも小さい波長のものしか放出されない事がわかる。例えば、この場合入射ポンプ光と同じ方向には、 790nmの波長の異常偏光と、 630nmの波長の常偏光が放出される事が示されている。
【００３４】
図５は、光学軸と入射ポンプ光のなす角度を、相互平行条件よりも大きくした場合の例（52.7度）である。この場合、たとえば 702.2nmの異常偏光の光子は、プラス１１度およびマイナス４度、常偏光の光子は、プラス４度およびマイナス１１度に放出される事が示されている。
【００３５】
このように入射角度によって、異常偏光と常偏光の放出角度が様々に変化する。
【００３６】
従来は、相互平行条件のもとで大きな角度にわたって放出されているパラメトリック蛍光の一部のみを利用していたため、断面が円または楕円上のビームへと変換することが困難であり、また互いに相関をもつ方向の光子を切り出してくる事もまた困難であった。我々は、この課題を解決するため、異常偏光と常偏光のチューニングカーブが波長 702.2nmの直線に接するような場合に着目した。この場合を図７に示す。この場合、パラメトリック蛍光の702.2nmの成分は、常偏光−３度、異常偏光＋３度の方向にのみ射出されることになる。
【００３７】
図８，図９，図１０に、我々が実際に実験を行った結果を示す。図８は、光学軸と入射ポンプ光のなす角度を、相互平行条件角度の49.2度にした場合に、入射ポンプ光と同じ方向に向かって放出されるパラメトリック蛍光を、波長702nmの光だけを透過するフィルターを通じて冷却ＣＣＤカメラを用いて撮影したものである。この写真に写っている範囲は、放出角度で約±1.5 度に相当する。２つの円弧が一点で接しており、この接している方向が入射ポンプ光の方向である。このように、パラメトリック蛍光は大きく広がって放出されていることがわかる。
【００３８】
図９は、光学軸と入射ポンプ光のなす角度を48.3度にした場合の、パラメトリック蛍光である。この像から、放出角度 0.8度以下で実際に放出されている事がわかる。また、この状態で得られている蛍光の量は、途中の光学部品における吸収がないと仮定した場合の値で、各ビームあたり入射ポンプ光 0.1Ｗ入射時で 1.8×106 ＣＰＳであった。
【００３９】
このように、我々は結晶の角度を入射ポンプ光に対して特定の角度に調節する事により、角度広がりの小さいビーム状にする方法を発明した。
【００４０】
本実施例では、入射ポンプ光発生部での光源として、 351.1nmで発振するアルゴンレーザーを用いていたが、もちろん他の波長、他のレーザー光源を用いる事も可能である。
【００４１】
ＢＢＯ結晶を非線形光学媒質として用いたが、もちろんＫＤＰ、有機非線形光学材料等他の材料を用いることも可能である。また、ここでは一軸性結晶を例にとったが、一般の２軸性結晶でも同様にして非線形光学媒質として用いる事ができる。
（２）実施例２
実施例１では、異常偏光と常偏光のチューニングカーブが両方とも波長 702.2nmの直線に接するような場合に着目したが、もちろん、別々の波長において頂点をもつ場合を利用することも可能である。
【００４２】
例えば異常偏光が波長 710nm、常偏光が波長 694.5nmにおいて頂点をもつようなチューニングカーブを用いる場合、それぞれの波長の光が単一光子ビームとして放出される。このとき、光学軸と入射ポンプ光のなす角度は48.0度である。
（３）実施例３
本発明のさらに他の実施例を図１０に示す。図１０において、１３はアルゴンレーザー、１４は入射ポンプ光、１５は分散プリズム、１６は暗箱、１７はミラー、１８はダイクロックミラー、１９はビームストップ、２０はレンズ、２１は短波長光カットフィルタ、２２は狭帯域透過フィルタ、２３はディテクタ、２４は単一光子ビーム、２５はＢＢＯ結晶、２６はレンズである。
【００４３】
この実施例において、アルゴンレーザー１３は単一周波数で動作し、パラメトリック蛍光発生用の入射ポンプ光１４（351.1nm)を発生する。分散プリズム１５によって、レーザー内で発生した雑音光を取り除いた後、入射ポンプ光１４は暗箱１６に入射される。暗箱１６にはポンプ光入射用と、発生した単一光子ビーム２４を射出するための孔があけられている。パラメトリック蛍光は一般に微弱であるため、外部からの光がノイズとしてディテクタ２３に入らないようにするため、暗箱１６中に系は構築される。入射ポンプ光１４はミラー１７によって適当な角度に曲げられる。この角度によって、単一光子ビーム２４の射出方向がきまる。曲げられた入射ポンプ光１４は、ＢＢＯ結晶２５に入射される。ＢＢＯ結晶２５は、あらかじめ、入射ポンプ光の垂直入射時、光学軸がパラメトリック蛍光発生に適した角度に向くよう切り出されている。また、切り出し時や温度等条件による誤差は、ＢＢＯ結晶２５に取り付けられた角度微調装置によって補正される。入射ポンプ光１４はＢＢＯ結晶２５を透過した後、ビームストップ１９によって吸収される。結晶中で生成した光子対のうち、シグナル光子ビーム４は、レンズ２０によって集光された後、暗箱内での背景ノイズ光を除外するための短波長光カットフィルタ２１、狭帯域透過フィルタ２２を通してディテクタ２３に入射される。ディテクタ２３としては、光子計数が可能な光電子倍増管等が使用可能である。また、アイドラ光子ビーム５はレンズ２６によって平行ビームとし、暗箱の外へ単一光子ビーム２４として射出される。
【００４４】
単一光子ビーム２４を、シグナル光子ビーム４と同様にレンズならびにフィルタを用いてディテクタに集光し、同時計数を行った所、ディテクタの量子効率を１とした場合、同時計数値として 2.9×104ＣＰＳを得た。このときの入射ポンプ光強度は約 0.3Ｗである。我々が、入射ポンプ光強度 0.3Ｗにより相互平行条件で同様の実験を行った際得られた同様の同時計数値 1.3×104ＣＰＳと比較して、強い同時計数値、すなわち強い強度の発生時刻の確定した光子ビームを得る事ができた。
（４）実施例４
本発明のさらに他の実施例を図１１に示す。ここで、２は入射ポンプ光、３は非線形光学媒質、４はシグナル光子ビーム、５はアイドラ光子ビーム、２７，２８はレンズ、２９，３０は光ファイバーである。入射ポンプ光２によって非線形光学媒質３において発生したシグナル光子ビーム４およびアイドラ光子ビーム５は、それぞれレンズ２７，２８によって光ファイバー２９，３０へと入射される。
【００４５】
効率良く光子ビームをファイバーへ入射するためには、ファイバー固有の開口数をＮＡとするとき、ファイバー（コア）材料の屈折率をｎとすると、
ＮＡ＝ｎ sin（α／２） （３）
できまる角度αより小さな角度でファイバー端面にビームを入射しなければファイバー中を光は伝播しない（図１２）。しかし従来の方法では、パラメトリック蛍光が大きな角度範囲に広がって放出されるため、集光レンズの位置での蛍光の像が大きくなり、結果としてレンズからファイバー端面までに長い距離を必要とした。
【００４６】
しかし、実施例１でも述べたように、本発明では蛍光をシグナル光子ビーム４またはアイドラ光子ビーム５として小さな角度で発生することが可能になった。結果として、集光レンズの位置での蛍光の像が小さくなり、レンズからファイバー端面までの距離を小さくする事が可能になり、装置を小型化する事ができた。
（５）実施例５
本発明のさらに他の実施例を図１３に示す。この実施例は、実施例３におけるレンズ２７，２８を省き直接シグナル光子ビーム４およびアイドラ光子ビーム５を光ファイバー２９および３０に入射したものである。
【００４７】
従来の方法では、非線形光学媒質から放出されるビームの広がりが大きく、また光ファイバー２９，ファイバー３０の端面を非線形光学媒質に近づけすぎると入射ポンプ光２もファイバーに入射しノイズが増大してしまうため、直接光ファイバーにシグナル光子ビーム４およびアイドラ光子ビーム５を効率良く入射する事は大変困難であった。
【００４８】
しかし、この前の実施例でも述べたように、本発明では蛍光をシグナル光子ビーム４またはアイドラ光子ビーム５として小さな角度で発生することが可能になった。この結果として、光ファイバー２９，３０が適当なコア径を有する場合、レンズを介さずとも直接ファイバーに入射することが可能になった。これにより、装置を小型化することができ、また光学系調整に要する手間も省けるようになった。
【００４９】
ちなみに、図１３においては光ファイバー端面と非線形光学媒質が離れて描かれているが、これらを接触させる事ももちろん可能である。
（６）実施例６
本発明のさらに他の実施例として、シグナル光子ビーム、アイドラ光子ビームのうち一方を実施例３のようにレンズを用いて集光してファイバーに入射し、もう一方を実施例４のように直接ファイバーに入射することが可能である。これは、たとえばアイドラ光子ビームを検出することにより発生時刻の確定した単一光子ビームを得ようとする場合、アイドラ光子ビームは単に検出するだけであり伝達距離が短くてもよいので、光ファイバーとして大口径の可能なマルチモードファイバーを用い直接入射し、また単一光子ビームとして長距離を伝送する必要の有るシグナル光子ビームは、光ファイバーとして長距離伝送の可能なシングルモードファイバーを利用し、ファイバーコア径が小さいため、レンズを用いてファイバーに入射するなどが具体的な例である。
【００５０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、非線形光学媒質の、光学軸と入射ポンプ光とのなす角を特定の角度にすることにより、断面が円または楕円のビームへと変換することが容易な、小さな角度広がりをもつパラメトリック蛍光対を発生することができる。
【００５１】
また、それらのビームの一方を検出する事で、発生時刻の特定可能な単一光子ビームを発生する事ができる。
【００５２】
また、発生するビームの角度広がりが小さいため、光ファイバーへの集光レンズとファイバー端面の距離を小さくする事ができる。
【００５３】
また、発生するビームの角度広がりが小さいため、光ファイバーへ集光レンズを用いず直接入射する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるパラメトリック蛍光対発生装置の一実施例の全体構成図である。
【図２】 本発明による光子発生の仕組みの説明図である。
【図３】 相互平行条件における蛍光放出角度と蛍光の波長の関係を示す図である。
【図４】 結晶の光学軸と入射ポンプ光のなす角度が相互平行条件よりも小さい場合の一例の蛍光放出角度と蛍光の波長の関係を示す図である。
【図５】 結晶の光学軸と入射ポンプ光のなす角度が相互平行条件よりも大きい場合の一例の蛍光放出角度と蛍光の波長の関係を示す図である。
【図６】 本発明による光子発生の仕組みの説明図である。
【図７】 本発明における蛍光放出角度と蛍光の波長の関係の一例を示す図である。
【図８】 相互平行条件において入射ポンプ光の光軸方向から眺めたパラメトリック蛍光を撮影した写真を示す図である。
【図９】 本発明によって発生したパラメトリック蛍光を撮影した写真を示す図である。
【図１０】 本発明によるパラメトリック蛍光対発生装置の他の一実施例の全体構成図である。
【図１１】 本発明によるパラメトリック蛍光対発生装置の他の一実施例の全体構成図である。
【図１２】 パラメトリック蛍光を光ファイバーに効率良く入射する条件を説明する図である。
【図１３】 本発明によるパラメトリック蛍光対発生装置の他の一実施例の全体構成図である。
【図１４】 従来の光子ビーム発生装置の一例の全体構成図である。
【図１５】 従来の光子ビーム発生装置の一例から放出される蛍光の放出角度を示す図である。
【符号の説明】
１：入射ポンプ光発生部
２：入射ポンプ光
３：非線形光学媒質
４：シグナル光子ビーム
５：アイドラ光子ビーム
６：入射ポンプ光の波数ベクトル
７：異常偏光波数ベクトル
８：常偏光波数ベクトル
９：常偏光の屈折率面
１０：異常偏光の屈折率面
１１：異常偏光波数ベクトル
１２：常偏光波数ベクトル
１３：アルゴンレーザー
１４：入射ポンプ光
１５：分散プリズム
１６：暗箱
１７：ミラー
１８：ダイクロックミラー
１９：ビームストップ
２０：レンズ
２１：短波長光カットフィルタ
２２：狭帯域透過フィルタ
２３：ディテクタ
２４：単一光子ビーム
２５：ＢＢＯ結晶
２６：レンズ
２７：レンズ
２８：レンズ
２９：光ファイバー
３０：光ファイバー
３１：分散プリズム
３２：パラメトリック蛍光ビーム
Claims (5)
- 入射ポンプ光発生部と、非線形光学媒質からなり入射ポンプ光によりパラメトリック蛍光対を発生させる光子対発生部とを備えたパラメトリック蛍光対発生装置であって、
光子対発生部の光学軸と入射ポンプ光のなす角度は、蛍光波長と蛍光放出角度の関係によりパラメトリック変換の常偏光と異常偏光のチューニングカーブを表わしたとき、常偏光と異常偏光のチューニングカーブの各頂点が、ともにある特定の単一波長ａの直線に接するような角度であることを特徴とするパラメトリック蛍光対発生装置。 - 入射ポンプ光発生部と、非線形光学媒質からなり入射ポンプ光によりパラメトリック蛍光対を発生させる光子対発生部とを備えたパラメトリック蛍光対発生装置であって、
光子対発生部の光学軸と入射ポンプ光のなす角度は、蛍光波長と蛍光放出角度の関係によりパラメトリック変換の常偏光と異常偏光のチューニングカーブを表わしたとき、常偏光と異常偏光のチューニングカーブの各頂点がそれぞれ異なる特定の波長ａの直線と波長ｂの直線に接するような角度であり、互いに発生時刻の等しい波長ａと波長ｂの対光子を含むような２つの光子ビームを発生することを特徴とするパラメトリック蛍光対発生装置。 - 発生した光子対の一方を検出する検出部を備え、ビームに含まれる個々の光子の発生時刻を特定可能にしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパラメトリック蛍光対発生装置。
- 発生した２つの光子ビームをそれぞれ集光するレンズ、ならびにそれらの光子ビームが伝播する光ファイバーを備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパラメトリック蛍光対発生装置。
- 発生した２つの光子ビームが伝播する光ファイバーを備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパラメトリック蛍光対発生装置。
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