La luz comprimida (squeezed light) es uno de los componentes importantes de los experimentos de memorias cuánticas. Un almacenamiento eficiente de la luz comprimida en una colectividad de átomos exige que la luz (comprimida) sea resonante a la línea espectral de absorción. El láser de diodo puede acceder a una amplia clase de líneas espectrales dado al amplio rango de longitudes de onda accesibles. Por lo tanto, el uso de fuentes de luz comprimida basadas en láseres de diodo ampliaría el número de los posibles experimentos. Además, los láseres de diodo reúnen muchas buenas características como son su construcción robusta y compacta, simplicidad y bajo precio. La única desventaja de los láseres diodo es el ruido de la fase que resulta en un ensanchamiento de sus líneas espectrales. Esta tesis describe estudios experimentales y teóricos de generación de estados de luz omprimida en cuadratura y polarización, adecuados para la interacción con átomos de rubidio. En ese ocumento damos una atención especial al ruido de fase y sus efectos en el grado de compresión de la luz y los métodos para lograr luz comprimida en presencia de ruido de fase generado en el láser de diodo. La tesis está estructurada de la siguiente manera: El primer capítulo presenta las ideas generales de la conversión paramétrica de frecuencia (parametric downconversion) en un oscilador paramétrico óptico. Aquí derivamos la descripción teórica de la luz comprimida en un oscilador paramétrico óptico operado por debajo del nivel umbral. El segundo capítulo describe el aparato experimental. Primero, damos una descripción detallada del diseño de la cavidad paramétrica óptica y resumimos las propiedades del cristal no lineal. A continuación, pasamos a describir el láser y los sistemas usados para la estabilización del sistema láser y de la cavidad del oscilador. En el tercero se discute la ganancia de amplificación y la eficiencia de detección. Por último damos una descripción general del experimento y presentamos los resultados en la compresión cuántica ("squeezing") de la luz. El último capítulo analiza los efectos de ruido de fase en el "squeezing" de cuadratura y describe una técnica para eliminar su efecto. Primero, discutimos el origen del ruido de fase para sistemas de láser de diodo. Segundo, derivamos el grado observable de "squeezing", teniendo en cuenta los efectos de fluctuaciones cuasi-estacionarias de frecuencia. Por último, mostramos cómo los efectos del ruido de fase pueden ser eliminados y comparamos la predicción teórica con nuestros resultados experimentales. El resultado de este proyecto es una fuente de luz no-clásica resonante con la transición atómica del rubidio. Caracterizamos el "squeezing" del estado de vacío cuántico resultante. El máximo grado de compresión logrado en el experimento fue 2.5dB por debajo del nivel de ruido cuántico. Además realizamos un análisis del efecto que el ruido de fase tiene en el grado de compresión. Los resultados de este análisis mostraron que en presencia de ruido de fase se espera que el "squeezing" dependa del retardo relativo entre el haz de luz comprimida y el oscilador local. Comprobamos experimentalmente esta hipótesis y medimos el grado de compresión como una función del retardo entre la luz comprimida y el oscilador local. Los resultados experimentales obtenidos fueron consistentes con la teoría. Aparte de construir una fuente luz comprimida resonante con rubidio, hemos probado que el láser de diodo es una fuente adecuada para la producción de luz comprimida. Hemos proporcionado una teoría que trata el efecto de ruido de fase en el grado de compresión de la luz en un oscilador paramétrico óptico. El aparato experimental presentado aquí utiliza técnicas estándar que podrían ser aplicadas a una variedad de otras longitudes de ondas. This thesis describes experimental and theoretical studies of generation of quadrature- and polarization-squeezed light suitable for interaction with rubidium atoms. Special attention is paid to phase noise, its effects on squeezing, and methods to achieve squeezing in the presence of diode laser phase noise. Squeezed light is an important component of quantum memories experiments. Efficient storage of (squeezed) light in atomic ensembles requires the light to be resonant to the respective atomic transition. Diode lasers can access many atomic transitions as they cover significantly broader wavelength range than other classes of lasers. Consequently, employing diode-laser-based squeezed light sources would broaden the range of possible quantum memories experiments. Furthermore, diode lasers posses many attractive features like robustness, simplicity, compactness, and low price. The drawback of the diode laser is it's excess phase noise, which results in a relatively large linewidth. This forms an obstacle for detection of phasesensitive quantum states such as quadrature squeezing. The thesis is structured as follows: The first chapter presents the general ideas on parametric downconversion in an optical parametric oscillator. Here we derive the theoretical description of squeezing of the light field in a subthreshold optical parametric oscillator. The second chapter describes the experimental apparatus. First, we give a detailed description of the design of the optical parametric oscillator cavity and summarise the properties of the nonlinear crystal. In continuation, we describe the laser system and the locking systems used for the laser system and the optical parametric oscillator cavity stabilisations. Third, we discuss the amplification gain and the detection efficiency. Finally, we give a full overview of the experiment and we present the squeezing results. The last chapter analyses the effects of phase noise on quadrature squeezing and describes a technique to eliminate its effect. First, we discuss the origin of the phase noise for diode laser systems. Second, we derive the observable squeezing taking into account the effects of quasi-static frequency fluctuations. Third, we show how the effects of the phase noise can be eliminated and, last but not least, we compare the theoretical prediction with our experimental results. The outcome of this project is a rubidium resonant source of non-classical light. We characterised the output squeezed vacuum state. The maximum squeezing achieved in the experiment was 2.5dB below shot-noise level. Moreover, we performed an analysis of the effect the phase noise has on the squeezing. The results of this analysis showed that in presence of phase noise we expected that the squeezing level would depend on the relative delay between squeezing and local oscillator path. We experimentally tested this statement performing a measurement of squeezing as a function of the delay between the squeezed light and the local oscillator. The experimental results were consistent with the theory. Apart form building a source of rubidium resonant squeezed light we have proven that the diode laser is a source suitable for production of squeezed light. We provided a theory which treats the effect of phase noise on squeezing in optical parametric oscillator. The experimental squeezing apparatus presented here uses standard techniques which could be applied to a variety of other wavelengths.
La luz comprimida (squeezed light) es uno de los componentes importantes de los experimentos de memorias cuánticas. Un almacenamiento eficiente de la luz comprimida en una colectividad de átomos exige que la luz (comprimida) sea resonante a la línea espectral de absorción. El láser de diodo puede acceder a una amplia clase de líneas espectrales dado al amplio rango de longitudes de onda accesibles. Por lo tanto, el uso de fuentes de luz comprimida basadas en láseres de diodo ampliaría el número de los posibles experimentos. Además, los láseres de diodo reúnen muchas buenas características como son su construcción robusta y compacta, simplicidad y bajo precio. La única desventaja de los láseres diodo es el ruido de la fase que resulta en un ensanchamiento de sus líneas espectrales. Esta tesis describe estudios experimentales y teóricos de generación de estados de luz omprimida en cuadratura y polarización, adecuados para la interacción con átomos de rubidio. En ese ocumento damos una atención especial al ruido de fase y sus efectos en el grado de compresión de la luz y los métodos para lograr luz comprimida en presencia de ruido de fase generado en el láser de diodo. La tesis está estructurada de la siguiente manera: El primer capítulo presenta las ideas generales de la conversión paramétrica de frecuencia (parametric downconversion) en un oscilador paramétrico óptico. Aquí derivamos la descripción teórica de la luz comprimida en un oscilador paramétrico óptico operado por debajo del nivel umbral. El segundo capítulo describe el aparato experimental. Primero, damos una descripción detallada del diseño de la cavidad paramétrica óptica y resumimos las propiedades del cristal no lineal. A continuación, pasamos a describir el láser y los sistemas usados para la estabilización del sistema láser y de la cavidad del oscilador. En el tercero se discute la ganancia de amplificación y la eficiencia de detección. Por último damos una descripción general del experimento y presentamos los resultados en la compresión cuántica ("squeezing") de la luz. El último capítulo analiza los efectos de ruido de fase en el "squeezing" de cuadratura y describe una técnica para eliminar su efecto. Primero, discutimos el origen del ruido de fase para sistemas de láser de diodo. Segundo, derivamos el grado observable de "squeezing", teniendo en cuenta los efectos de fluctuaciones cuasi-estacionarias de frecuencia. Por último, mostramos cómo los efectos del ruido de fase pueden ser eliminados y comparamos la predicción teórica con nuestros resultados experimentales. El resultado de este proyecto es una fuente de luz no-clásica resonante con la transición atómica del rubidio. Caracterizamos el "squeezing" del estado de vacío cuántico resultante. El máximo grado de compresión logrado en el experimento fue 2.5dB por debajo del nivel de ruido cuántico. Además realizamos un análisis del efecto que el ruido de fase tiene en el grado de compresión. Los resultados de este análisis mostraron que en presencia de ruido de fase se espera que el "squeezing" dependa del retardo relativo entre el haz de luz comprimida y el oscilador local. Comprobamos experimentalmente esta hipótesis y medimos el grado de compresión como una función del retardo entre la luz comprimida y el oscilador local. Los resultados experimentales obtenidos fueron consistentes con la teoría. Aparte de construir una fuente luz comprimida resonante con rubidio, hemos probado que el láser de diodo es una fuente adecuada para la producción de luz comprimida. Hemos proporcionado una teoría que trata el efecto de ruido de fase en el grado de compresión de la luz en un oscilador paramétrico óptico. El aparato experimental presentado aquí utiliza técnicas estándar que podrían ser aplicadas a una variedad de otras longitudes de ondas. This thesis describes experimental and theoretical studies of generation of quadrature- and polarization-squeezed light suitable for interaction with rubidium atoms. Special attention is paid to phase noise, its effects on squeezing, and methods to achieve squeezing in the presence of diode laser phase noise. Squeezed light is an important component of quantum memories experiments. Efficient storage of (squeezed) light in atomic ensembles requires the light to be resonant to the respective atomic transition. Diode lasers can access many atomic transitions as they cover significantly broader wavelength range than other classes of lasers. Consequently, employing diode-laser-based squeezed light sources would broaden the range of possible quantum memories experiments. Furthermore, diode lasers posses many attractive features like robustness, simplicity, compactness, and low price. The drawback of the diode laser is it's excess phase noise, which results in a relatively large linewidth. This forms an obstacle for detection of phasesensitive quantum states such as quadrature squeezing. The thesis is structured as follows: The first chapter presents the general ideas on parametric downconversion in an optical parametric oscillator. Here we derive the theoretical description of squeezing of the light field in a subthreshold optical parametric oscillator. The second chapter describes the experimental apparatus. First, we give a detailed description of the design of the optical parametric oscillator cavity and summarise the properties of the nonlinear crystal. In continuation, we describe the laser system and the locking systems used for the laser system and the optical parametric oscillator cavity stabilisations. Third, we discuss the amplification gain and the detection efficiency. Finally, we give a full overview of the experiment and we present the squeezing results. The last chapter analyses the effects of phase noise on quadrature squeezing and describes a technique to eliminate its effect. First, we discuss the origin of the phase noise for diode laser systems. Second, we derive the observable squeezing taking into account the effects of quasi-static frequency fluctuations. Third, we show how the effects of the phase noise can be eliminated and, last but not least, we compare the theoretical prediction with our experimental results. The outcome of this project is a rubidium resonant source of non-classical light. We characterised the output squeezed vacuum state. The maximum squeezing achieved in the experiment was 2.5dB below shot-noise level. Moreover, we performed an analysis of the effect the phase noise has on the squeezing. The results of this analysis showed that in presence of phase noise we expected that the squeezing level would depend on the relative delay between squeezing and local oscillator path. We experimentally tested this statement performing a measurement of squeezing as a function of the delay between the squeezed light and the local oscillator. The experimental results were consistent with the theory. Apart form building a source of rubidium resonant squeezed light we have proven that the diode laser is a source suitable for production of squeezed light. We provided a theory which treats the effect of phase noise on squeezing in optical parametric oscillator. The experimental squeezing apparatus presented here uses standard techniques which could be applied to a variety of other wavelengths.
En la primera parte, el tema de estudio son las fluctuaciones cuanticas en el Oscilador Optico Parametrico (OPO) de tipo II. En esencia, los OPOs son cavidades opticas que contienen un cristal con una no linealidad de segundo orden. Cuando bombeamos con un laser de frecuencia 2w0, el OPO es capaz de generar frecuencias ws (senal) y wi (vago) de tal forma que ws+wi=2w0. Que el dispositivo sea de Tipo II hace referencia a que estos haces tienen polarizaciones ortogonales. En una descripcion clasica, la generacion de frecuencias requiere que el OPO sea bombeado por encima de un cierto valor umbral; sin embargo, cuanticamente las parejas de fotones senal-vago pueden ser generadas incluso por debajo de ese umbral, lo cual les confiere propiedades cuanticas muy interesantes. En particular, los OPOs de tipo I, en los cuales senal y vago tienen la misma polarizacion, mantienen el record de reduccion de ruido en cuadraturas (single-mode squeezing), lo que se manifiesta en el modo degenerado de frecuencia ws=wi=w0; consistiendo el squeezing en reducir el ruido cuantico en un observable a costa de incrementarlo en su par canonico, preservando asi el principio de incertidumbre, lo que permite, por ejemplo, realizar medidas ultraprecisas virtualmente libres de ruido cuantico. Por otro lado, los OPOs de tipo II ademas de proporcionar squeezing en la suma de fases de senal y vago (lo que no resulta detectable puesto que se trata de una cuadratura mixta que implica a dos modos de frecuencias y polarizaciones diferentes), tiene reduccion completa de ruido en la resta de intensidades, lo cual quiere decir que sus amplitudes estan perfectamente correlacionadas y los haces ?entrelazados?. Cuando dos sistemas estan entrelazados, presentan correlaciones cuanticas no-locales que pueden explotarse para muchas aplicaciones impensables en el dominio clasico. Sin embargo, para la manipulacion y deteccion de estos estados es muy conveniente que los campos generados esten degenerados en frecuencia (locking). Hasta ahora, las tecnicas conocidas que consiguen locking deterioran los niveles de squeezing y entrelazamiento. La primera vez que fue propuesta una tecnica de locking fue por Fabre y colaboradores. En esta parte de la tesis, nosotros proponemos una alternativa de conseguir degeneracion a frecuencia w0. Mostramos que el locking puede ser conseguido en el OPO tipo II preservando buenos niveles de entrelazamiento. En la segunda parte de la tesis nos centramos en el estudio de simuladores cuanticos de la fisica de sistemas de muchos cuerpos. En particular, nos centramos en el estudio de colecciones (arrays) de cavidades opticas, cada una interactuando fuertemente con un emisor de dos niveles. Este tipo de sistemas han recibido una atencion considerable en los ultimos anos. Se han descubierto fases coherentes fuertemente correlacionadas y se ha discutido sobre analogias con el efecto hall cuantico y con estados cuanticos topologicamente protegidos. En investigaciones anteriores el mecanismo de bombeo utilizado ha sido un bombeo coherente para cada cavidad, con lo que la relacion de fase entre los campos de cavidades distantes podia ser atribuida, al menos en parte, a la relacion de fase entre los campos coherentes bombeados. En este trabajo mostramos que la coherencia entre cavidades distantes puede construirse espontaneamente, provocada solo por los procesos fisicos dentro del array. De esta forma nos preguntamos si en estas estructuras se pueden desarrollar superfluidos fuera del equilibrio o condensados de Bose Einstein. Por este motivo, consideramos que el array de cavidades esta bombeado solo de forma incoherente. Para una sola cavidad el sistema se reduce al laser de un solo emisor (one- emitter laser), ampliamente estudiado en trabajos anteriores. En nuestro analisis nos concentramos en las correlaciones en cavidades distantes, tipicamente consideradas para investigar efectos de rango lejano y la emergencia de superfluidez. De hecho encontramos correlaciones colectivas cuando las cavidades se encuentran en regimen de emision laser. Estas correlaciones decaen mas rapido que ninguna potencia de la distancia cuando la distancia entre cavidades tiende a infinito para cualquier dimension del array. Como es de esperar, la longitud de correlacion asociada aumenta al aumentar el acoplo entre cavidades. Tambien encontramos propiedades intrinsecas del laser, como el tipico espectro de fotoluminiscencia, el triplete de Mollow, el cual puede ser observado lejos de la resonancia entre emisor y cavidad debido a la aparicion de modos fotonicos colectivos. La tercera parte de la tesis se centra en el estudio de cavidades optomecanicas, que son resonadores opticos (dos espejos enfrentados, por ejemplo) iluminados por un laser, en los que se produce una interaccion entre la luz y uno o varios sistemas mecanicos. Estos dispositivos pueden implementarse de varias formas, siendo la mas sencilla la que asume que la luz ejerce una presion de radiacion que puede modificar la posicion de un espejo movil. El uso de resonadores opticos permite aumentar en varios ordenes de magnitud la intensidad de la luz en el interior de la cavidad, lo cual conduce a una mejora impresionante de la interaccion. Las cavidades optomecanicas han sido implementadas usando diferentes osciladores mecanicos (OMs) como, por ejemplo, resonadores microtoroidales o membranas suspendidas en una cavidad. Desde el punto de vista cuantico, estos dispositivos tambien pueden proporcionar estados cuanticos de la luz como squeezed o entrelazados, asi como enfriamiento del OM (laser cooling). El laser cooling es una tecnica para enfriar el OM hasta su estado fundamental (el de minima energia), punto de partida para estudiar la transicion microscopica-macroscopica de las leyes mecano-cuanticas. El modelo propuesto en esta parte de la tesis, permite la coexistencia de muchos modos tanto mecanicos como opticos (estamos entonces en presencia de un sistema intrinsecamente multimodo). A traves del estudio de la estabilidad del sistema hemos obtenido que pueden coexistir dos soluciones homogeneas (biestabilidad) y que no solo existen inestabilidades temporales, sino que tambien pueden formarse estructuras espaciales disipativas. Por ejemplo, partiendo de una inyeccion plana (invariante bajo traslaciones) encontramos patrones hexagonales (que rompen espontaneamente la simetria espacial), y, en la zona de biestabilidad, donde los patrones coexisten con una solucion homogenea, encontramos solitones de cavidad.
Los osciladores opticos parametricos (OPOs) son los dispositivos actuales mas utilizados para la generacion de luz no clasica, esto es, luz que presenta propiedades de compresion o entrelazamiento.
En esta tesis se aborda el estudio de los OPOs desde un punto de vista multi-modo, explicando sus propiedades en base a dos fenomenos basicos: generacion de compresion no critica a traves del anclaje del bombeo y de la ruptura espontanea de simetria.
Asimismo, se propone un metodo para conseguir degeneracion en frecuencias en OPOs tipo II, esto es, OPOs en los que los fotones generados parametricamente aparecen con polarizaciones lineales ortogonales.
El estudio de la interaccion luz materia con conjuntos atomicos es un area de investigacion activa. Este tipo de sistema permite fundamental estudios sobre la medicion en el contexto de las variables continuas, en entrelazamiento colectiva y en las simulaciones cuanticas. Este campo de la investigacion tambien es interesante en el contexto de la metrologia cuantica, comunicacion cuantica y la computacion cuantica. En esta tesis dos aspectos complementarios de la interaccion luz materia con conjuntos atomicos han sido estudiados con iones atrapados y atomos neutros frios. El experimento de iones atrapados pretende evaluar la posibilidad de utilizar grandes nubes de iones para la realizacion de una memoria cuantica con largo tiempo de coherencia. En vez de que el experimento de atomos frios se centro en el uso de medidas de no demolicion cuantica para evaluar estados no gaussianos. Este experimento es parecido a los experimentos de comunicacion cuantica que se desarrollan actualmente. Los iones atrapados enfriados por laser pueden llegar a una fase cristalina debido a la fuerte repulsion de Coulomb entre los iones. En esta fase, las relativas posiciones entre los iones se fijan de manera a evitar las colisiones y los iones que exploran inhomogeneidades del campo magnetico que puede ser una fuente de perdida de coherencia. Con bajo numero de iones, largos tiempos de coherencia han sido demostrados. Con iones numerosos, el mecanismo de captura puede inducir un calentamiento de la nube de iones, haciendo asi mas dificil de obtener el regimen cristalizado. Durante esta tesis, los cristales de Coulomb grandes que contiene mas de 106 iones se han obtenidos y la prueba de la transparencia inducida electromagneticamente en tal sistema ha sido obtenida. Este estudio tambien revelo las limitaciones de este tipo de sistemas que tienen que ser estudiado mas a fondo para obtener una fuerte probabilidad de interaccion con conjuntos de iones frios en un regimen permitiendo largos tiempos de coherencia. Los sistemas de atomos neutros permiten fuertes probabilidades de acoplamiento luz materia, pero generalmente reduce los tiempos de coherencia. Memorias cuanticas, el entrelazamiento entre atomos y la luz, magnetometria de alta precision han sido demostrados en experimentos relacionados con vapores atomicos neutros. El sistema utilizado en esta tesis se ha disenado para permitir que la probabilidad de acoplamiento luz materia sea importante, con pulsos de luz polarizada, lo que permite medir con precision el estado de espin del sistema atomico sin destruccion y con bajo ruido. La medicion del ruido del sistema es mas baja que el ruido atomico, lo que podria inducir el entrelazamiento colectivo de los espines atomicos (a traves del squeezing de espines inducido por la medicion) y mediciones de campo magnetico ultra sensibles. Este sistema esta estrechamente relacionado con sistemas disenados para la creacion de comunicacion cuantica y memorias cuanticas. Los estados atomicos no gaussianos constituyen un recurso para la computacion cuantica y la comunicacion cuantica, en el contexto de los experimentos de fisica atomica, su deteccion puede ser dificil. El trabajo presentado en esta tesis se centra en la deteccion de los estados no gaussianos en conjuntos atomicos utilizando cumulants, y en particular el ruido relacionado con la medicion de los cumulants.
Esta tesis esta dedicada al estudio teorico de la generacion de luz comprimida, con fluctuaciones cuanticas reducidas, en cavidades que presentan una interaccion tipo Kerr.
Consideramos los siguientes sistemas: cavidades optomecanicas, microcavidades polaritonicas y circuitos superconductores. Dichos sistemas estan siendo utilizados en diversas propuestas para tecnologias cuanticas.
En una primera parte de la tesis revisamos el caso de inyeccion externa con un campo monocromatico. Utilizando un modelo unificado para los tres sistemas analizamos el fenomeno de la biestabilidad y la generacion de luz comprimida alrededor de los puntos criticos de dicho ciclo. Aunque esta propuesta, bien conocida en la literatura, da lugar a una reduccion muy elevada de las fluctuaciones sufre de dos problemas: a la frecuencia que tiene lugar la reduccion hay una campo medio muy fuerte y esta ligada a una inestabilidad.
Para solucionar estos problemas proponemos el uso de una inyeccion bicromatica. En las condiciones adecuadas la biestabilidad desaparece, dando lugar a traves de un fenomeno de mezcla de cuatro ondas a una bifurcacion tipo horca. Calculando el espectro de squeezing demostramos que asociada a esta bifurcacion hay una reduccion de las fluctuaciones cuanticas. Las ventajas de nuestro metodo son que la reduccion ocurre en una frecuencia diferente a las frecuencias de las diferentes componentes de la inyeccion, tenemos un squeezing del vacio electromagnetio, y que el proceso no esta ligado a la biestabilidad.
El mismo tipo de analisis ha sido realizado en el caso optomecanico considerando la inyeccion de un peine de frecuencias (frequency comb). Obteniendo que se puede obtener un peine comprimido identico al que estamos inyectando.
This thesis studies different designs of optical parametric oscillators as sources of atom-resonant quantum light resonant with the rubidium D1 line.We analyze the mode structure and filtering techniques in a conventional OPO based on a crystal inside a ring cavity. We also present a first fully-tunable design of a monolithic doubly-resonant OPO. The first part presents the study of a multimode optical parametric oscillator from the theoretical point of view, calculating a multimode Bogoliubov transformation and a time-domain intensity correlation function. Next, we experimentally observe signatures of multi- and singlemode OPO output in pairwise time-of-arrival correlations of the generated photons, achieved thanks to Faraday anomalous dispersion filtering technique based on optical properties of atomic vapor in magnetic field. The second, more extensive part of the thesis features the study of a new design of the OPO, a monolithic cavity (crystal polished and coated so that it forms a cavity) that allows full tunability even in a multiply resonant configuration. The architecture we propose combines the advantages of a conventional ring cavity based OPO, with robustness, lowmaintenance, compactness and stability characteristic of monolithic systems. The tunability of the doubly-resonant monolithic OPO is realized by maintaining different sections of the crystal at different temperatures and pressing it with a piezoelectric actuator. The tuning method is tested when the system is employed as a second harmonic generator. In addition, we describe a new nonlinear effect that comes into play when the monolithic cavity is pumped with 795 nm light. The phenomenon,that we call a photo-Kerr effect causes the cavity behavior resembling optical bistability due to Kerr nonlinearity, but with the magnitude (Kerr coefficient) dependent on the long-time average of intra-cavity power. The model we propose agrees well with the experimental results. The effect simplifies greatly the cavity stabilization, causing the cavity to maintain itself close to resonance even as the laser wavelength is changed by more than a free spectral range. The thesis concludes by studying the suitability of the monolithic cavity with the photo-Kerr effect for squeezed light generation. We test the monolithic cavity as an OPO and demonstrate 1.6 dB of quadrature squeezing via homodyne detection. Esta tesis estudia diferentes diseños de osciladores paramétricos (OPO, por sus signas en inglés) como fuentes de luz cuántica resonante con la línea D1 de átomos de rubidio. Analizamos la estructura de modos y las técnicas de filtrado en un oscilador paramétrico convencional basado en un cristal no lineal dentro de una cavidad. También presentamos el primer diseño de un OPO monolítico con dos resonancias con frecuencias ajustables. La primera parte de la tesis presenta el estudio de un oscilador paramétrico multimodo desde el punto de vista teórico, calculando una transformación de Bogoliubov multimodo y una función de correlación temporal de intensidad. A continuación, se observan experimentalmente las señales de la emisión de OPO multimodo o de un solo modo en correlaciones de tiempo de llegada de pares de los fotones generados, obtenidos gracias a la técnica de filtración de dispersión anómala de Faraday basada en las propiedades ópticas del vapor atómico en campo magnético. La segunda y más extensa parte de la tesis presenta el estudio de un nuevo diseño del OPO: una cavidad monolítica (cristal pulido y recubierto de tal manera que forma una cavidad) que permite ajustar las frecuencias de resonancia, incluso en una configuración multi-resonante. La arquitectura que proponemos combina las ventajas de una OPO convencional basada en una cavidad afuera de cristal, con robustez, bajo mantenimiento, compacidad y estabilidad característica de los sistemas monolíticos. La ajustibilidad del OPO monolítico con doble resonancia se realiza manteniendo diferentes secciones del cristal a diferentes temperaturas y presionándolo con un element piezoeléctrico. El método de afinación es sometido a prueba cuando el sistema se emplea como generador de segundo armónico. Además, describimos un nuevo efecto no lineal que entra en juego cuando la cavidad monolítica se bombea con luz 795 nm. El fenómeno que denominamos efecto photo-Kerr provoca que el comportamiento de la cavidad se asemeje a la biestabilidad óptica debido a la no linealidad de Kerr, pero con la magnitud (coeficiente de Kerr) dependiente del promedio de tiempo largo de la potencia de la luz dentro de la cavidad. El modelo numérico que proponemos coincide con los resultados experimentales. El efecto simplifica en gran medida la estabilización de la cavidad, hacienda que ésta se mantenga cerca de la resonancia incluso cuando la longitud de onda del láser cambia en más de la distancia entre dos resonancias consecutivas. La tesis concluye estudiando la idoneidad de la cavidad monolítica con el efecto photo-Kerr para la generación de luz comprimida. Se emplea la cavidad monolítica como oscilador paramétrico, obteniando luz comprimida y se demuestra 1.6 dB de squeezing mediante detección homodina.
No presente trabalho, descrevemos a construção de um oscilador paramétrico ótico (OPO) com meio atômico de ganho de susceptibilidade X(3) , e a caracterização de seu limiar de oscilação. O processo base para a construção deste OPO é a Mistura de Quatro Ondas (4WM), que acontece em meios não lineares tipo X(3) , como é o caso dos isótopos de 85 Rb e 87 Rb. Realizou-se uma revisão da teoria atômica do rubídio, do 4WM e da teoria clássica do OPO. Obtivemos e caracterizamos o processo de 4WM em função de três parâmetros experimentais: a dessintonia do feixe de bombeio em relação ao pico do crossover da transição 5S 1/2 (F = 2)-> 5P 1/2 (F \' ) do 85 Rb na linha D 1 , da potência do bombeio e da temperatura da célula de rubídio. Encontrou-se uma ótima região de frequências em torno a Delta = 0.77GHz para a construção do OPO com os átomos de rubídio como meio não linear. Nesta região obteve-se uma amplificação máxima de 450% para o feixe de prova com absorção nula e uma intensidade do conjugado alta, para o feixe de prova com frequência Delta= w+ 3GHz (anti-Stokes). A elevada amplificação observada permite, em princípio, um limiar de oscilação menos abrupto: o surgimento de oscilação aparece de forma menos sensível a variações da potência de bombeio. Com efeito, para a dessintonia Delta = 0.38GHz o limiar é suave. A caracterização do 4WM e do limiar de oscilação do OPO é importante para a possível geração de estados não gaussianos. Um limiar suave permite, em princípio, operação e estudo muito próximo do limiar, região em que há previsões indicando a geração de estados não gaussianos que são relevantes para aplicações em informação quântica.