Estudiamos las propiedades del ruido del estacionario en osciladores parametricos no degenerados bajo el umbral. Se construye una ecuacion maestra en orden simetrico en funcion de operadores de dos modos. Se suponen perdidas asimetricas y separacion en frecuencia no despreciables. Se obtiene una ecuacion de Fokker-Plank para la cuasidistribucion de Wigner mediante la cual se estudian los grados de coherencia intra e interhaz asi como el squeezing en la diferencia de intensidades y en las cuadraturas via deteccion heterodina. Se estudia tambien la influencia de un factor de ensanchamiento de linea dependiente de la intensidad sobre la frecuencia y espectros promedios de un laser de semiconductor monomodo durante el primer pulso del transitorio de Gain-Switching. Se integran numericamente las ecuaciones estocasticas de balance con saturacion no lineal y factor de ensanchamiento de linea dependiente de la intensidad.
Estudiamos las propiedades del ruido del estacionario en osciladores parametricos no degenerados bajo el umbral. Se construye una ecuacion maestra en orden simetrico en funcion de operadores de dos modos. Se suponen perdidas asimetricas y separacion en frecuencia no despreciables. Se obtiene una ecuacion de Fokker-Plank para la cuasidistribucion de Wigner mediante la cual se estudian los grados de coherencia intra e interhaz asi como el squeezing en la diferencia de intensidades y en las cuadraturas via deteccion heterodina. Se estudia tambien la influencia de un factor de ensanchamiento de linea dependiente de la intensidad sobre la frecuencia y espectros promedios de un laser de semiconductor monomodo durante el primer pulso del transitorio de Gain-Switching. Se integran numericamente las ecuaciones estocasticas de balance con saturacion no lineal y factor de ensanchamiento de linea dependiente de la intensidad.
Un amplificador optico no respeta la estadistica de la luz incidente, por tanto, es necesario caracterizarlo estadisticamente. Con este fin se obtiene un modelo matematico basado en la ecuacion de la matriz densidad de fotones, la cual describe el comportamiento tanto lineal como no lineal del amplificador. Este modelo conduce a un sistema de ecuaciones diferenciales no lineales que proporcionan la evolucion temporal de los momentos estadisticos de la luz amplificada. Se ha puesto enfasis en el estudio de los momentos estadisticos y mas concretamente el de primer y segundo orden ya que su conocimiento permite calcular la relacion senal/ruido. Con el estudio del caso de hoy alta saturacion se vislumbra la posibilidad de reducir las fluctuaciones estadisticas relativas de la luz amplificada. Y, en consecuencia, mejorar la relacion senal/ruido. Con los resultados y conclusiones obtenidos hasta aqui, se realiza el estudio de un sistema formado por dos amplificadores opticos en cascada, el primero amplifica la senal proporcionando un nivel adecuado a la entrada del segundo para que este trabaje en regimen no lineal. Se ha analizado la influencia de los parametros de saturacion de los dos amplificadores y de sus longitudes en la relacion senal/ruido. Finalmente, se ha desarrollado un nuevo modelo para caracterizar una mezcla de medios saturables a partir de la e.M.D.F., lo cual ofrece la posibilidad de calcular las fluctuaciones estadisticas relativas de la luz. Se demuestra que un amplificador optico con una combinacion adecuado de los procesos saturables y de las perdidas lineales puede comportarse como un regenerador no sincronizado.
En este trabajo se presenta una breve descripcion de los principales resultados del trabajo de investigacion desarrollado por nuestro grupo en optica integrada cuantica. La principales lineas de investigacion del grupo siempre han estado en la optica integrada y en los ultimos anos se han desarrollado ademas varios estudios cuanticos teoricos y aplicados de dispositivos opticos integrados lineales y no lineales. Estos estudios han tenido como principal objetivo el analisis teorico riguroso tanto de la propagacion como de la caracterizacion de estados de luz cuantica en dispositivos de guia de onda mediante el operador Momento y las ecuaciones espaciales de Heisenberg, y tambien mediante propagadores opto-cuanticos calculados con el formalismo de Feynman sobre el espacio multimodo de campo optico. En este espacio las distribuciones de probabilidad estan bien definidas y ademas pueden medirse mediante tecnicas de deteccion homodina y/o heterodina multimodo. Asimismo se indican algunas lineas de investigacion futura tanto teorica como experimental sobre optica integrada cuantica.
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.
Usando las ecuaciones Ópticas de Bloch y considerando un sistema molecular que interactúa con un reservorio térmico, derivamos expresiones analíticas para las propiedades ópticas no lineales en la espectroscopia de mezcla de cuatro ondas. En este trabajo se introducen diferentes metodologías para el estudio de las polarizaciones macroscópicas y susceptibilidades ópticas no lineales. En un sistema de dos niveles, hemos considerado una frecuencia dependiente del tiempo para describir los efectos colectivos del reservorio térmico, cuya manifestación es el ensanchamiento del nivel superior según una función aleatoria prescrita. Aquí, las respuestas ópticas son calculadas mediante una metodología basada en el promedio de la coherencia obtenida por la resolución de las ecuaciones de Bloch ópticas estocásticas. Evaluamos las susceptibilidades ópticas a diferentes frecuencias, representadas como superficies numéricas para el comportamiento de las respuestas ópticas, en función del factor de desintonización de frecuencias bombeo-prueba, y de la intensidad del ruido. Se estudian los tiempos de relajación utilizando las propiedades de simetría de las respuestas ópticas y los efectos de la difusión espectral en la susceptibilidad no lineal de tercer orden para sistemas cuánticos de dos y tres estados. Los resultados presentados en este trabajo muestran aplicaciones potenciales para la caracterización de sistemas moleculares complejos a través de sus propiedades ópticas no lineales.
Nuestras investigaciones versan sobre las cuatro principales areas de la biestabilidad optica (ob). Primero comenzamos con la busqueda de algunos problemas basicos de biestabilidad optica multifotonica en una cavidad anillo de q alta con un sistema atomico de ensanchamiento homogeneo, tales como criterios para ob, estabilidad y otros. De la segunda area de ob, destacamos un nuevo tipo de dispositivos opticos biestables: los dispositivos opticos biestables con una red de difraccion. En tercer lugar, estudiamos algunas aplicaciones de la ob tales como: (1) las condiciones para utilizar un dispositivo optico biestable dispersivo, en una cavidad en anillo, como un amplificador y un estabilizador optico; (2) la reduccion del ruido cuantico en un dispositivo optico biestable con una cavidad lineal externa acoplada es estudiado; (3) las aplicaciones de la ob en laseres. Finalmente, estudiamos la ob en laseres. En primer lugar, estudiamos un laser de clase a con un dispositivo optico biestable. Un modelo dinamico semiclasico es desarrollado, y algunas caracteristicas y aplicaciones de esta estructura laser son estudiadas. En segundo lugar, investigamos las caracteristicas de un laser de semiconductor con una cavidad no-lineal externa. Hemos mostrado que este sistema puede usarse para reducir el ruido en intensidad y frecuencia de la luz de salida. Finalmente, estudiamos teorica y experimentalmente un laser de colorante con un espejo biestable opto-termico y hemos demostrado: (1) biestabilidad en longitud de onda e intensidad; (2) la mejora de la estabilidad de la potencia de salida; (3) la operacion flip-flop optica.
Esta Tesis se divide en dos partes. En la primera de ellas se estudian efectos de coherencia atomica en el regimen de ganancia en frecuencia en presencia de ensanchamiento Doppler, con la intencion de explorar posibles maneras de reducir su efecto negativo. El capitulo 2 se centra en la emision laser sin inversion de poblacion (LSI) en el regimen de ganancia en frecuencia en un esquema en V en presencia de ensanchamiento Doppler en una celda vapor y un haz atomico. Se muestra que la relacion entre la frecuencia del campo generado y de control, llamada relacion de ganancia en frecuencia R, que se puede conseguir en una celda vapor es pequena mientras que con las dos configuraciones porpuestas utilizando un haz atomico R puede ser sustancialmente mayor. En el capitulo 3 se muestra la posibilidad de obtener LSI en ausencia de campo de control externo usando uno generado por el propio medio activo en esquemas cascada y V. En el capitulo 4 se estudia transparencia inducida electromagneticamente (TIE) y amplificacion sin inversion (ASI) en sistemas de tres niveles con una onda estacionaria (OE) como campo de control. Se ha mostrado que con una OE, aparecen ventanas de transparencia cerca de valores semienteros de R conduciendo al hecho que en el regimen de ganancia en frecuencia una OE como campo de control es mas eficiente que una onda viajera. Se ha mostrado que una OE asimetrica es incluso mejor. Se ha estudiado ASI, donde una caracteristica del caso de control con OE es la contribucion a al ganancia del campo de prueba de procesos multifotonicos involucrando un foton prueba y varios fotones del campo de control. Estos procesos no son afectados por el ensanchamiento Doppler si R es un numero enteros. En el capitulo 5, se estudia TIE, tanto teoricamente como experimentalmente, utilizando como medio activo un condensado de Bose-Einstein. Capitulo 6 contiene dos propuestas experimentales: ASI en las bandas laterales