Interação de vórtices ópticos escalares e vetoriais na conversão paramétrica descendente estimulada

Abstract

A Óptica Não-Linear é uma área madura e bem estabelecida da Física contemporânea, com suas origens intimamente ligadas à criação da tecnologia laser no início da década de 1960. Por outro lado, o avanço tecnológico no controle dos graus de liberdade de campos ópticos tem aberto caminho para o desenvolvimento de diversas aplicações da luz, como, por exemplo, em seu uso como meio portador de informação, seja ela clássica ou quântica. Este controle tem garantido cada vez mais destaque ao tópico de Luz Estruturada, que se refere à campos ópticos com graus de liberdade customizados sob demanda em laboratório. Além do já extensivamente explorado grau de liberdade de polarização, nos últimos anos, atenção especial tem sido destinada aos modos espaciais transversais de feixes paraxiais, que se apresentam como uma forma de implementar sistemas ópticos discretos e de dimensão infinita, especialmente interessantes para comunicações ópticas. Dentre os modos espaciais que podem ser gerados em laboratório, recebem grande destaque os chamados vórtices ópticos, campos que apresentam singularidade em sua estrutura de fase e que carregam momento angular orbital da luz. Indo além, o acoplamento entre polarização e modos espaciais dá origem aos chamados feixes vetoriais, campos ópticos compostos por complexas estruturas de polarização e intensidade em seus perfis transversais, e que tem encontrado cada vez mais aplicações práticas. Este trabalho combina os tópicos de Óptica Não-Linear e Luz Estruturada através do estudo teórico e experimental da interação de vórtices ópticos escalares e vetoriais em conversão paramétrica descendente estimulada. A conversão paramétrica descendente estimulada é um processo não-linear onde duas ondas são combinadas em um meio não-linear dando origem a uma terceira, a qual herda características de ambos os campos interagentes. Nesta tese são analisadas as condições em que modos radiais são gerados no feixe resultante da interação de vórtices ópticos escalares no meio não-linear. Também são investigados os feixes resultantes da interação de vórtices vetoriais em conversão paramétrica descendente com fonte de dois cristais do tipo I, frequentemente empregada na geração de estados emaranhados em polarização. Por fim, é demonstrado como, para esta arquitetura de fonte e preparação adequada do feixe de bombeamento, a mistura de três ondas age como um dispositivo de conjugação vetorial de fase.

Abstract: Nonlinear Optics is a mature and well-established area of contemporary Physics, with its origins closely linked to the creation of laser technology in the early 1960s. On the other hand, the technological advancements in the control of the degrees of freedom of optical fields have paved the way for the development of applications of light, such as its use as a carrier of information, whether classical or quantum. This control has ensured more and more visibility to the topic of Structured Light, which refers to optical fields with degrees of freedom tailored on-demand in the laboratory. In addition to the already extensively explored polarization degree of freedom, in recent years special attention has been devoted to transverse spatial modes of paraxial beams, which present themselves as a resource to realize discrete and infinite-dimensional optical systems, especially interesting for optical communications. Among the spatial modes that we can generate in the laboratory, the so-called optical vortices, fields that present singularities in their phase structure and carry light orbital angular momentum, receive much attention. Moreover, the coupling between polarization and spatial modes gives rise to the so-called vector beams, optical fields composed of complex polarization and intensity structures in their transverse profiles, which have found increasingly more practical applications. This work combines the topics of Nonlinear Optics and Structured Light through the theoretical and experimental study of the interaction of scalar and vector optical vortices in stimulated parametric down-conversion. Stimulated parametric down-conversion is a nonlinear process where two waves are combined in a crystal giving rise to a third that inherits characteristics from both interacting fields. In this thesis, we analyze the conditions under which radial modes are generated in the beam resulting from the interaction of scalar optical vortices in the nonlinear medium. In addition, we also investigate the beam structure resulting from the interaction of vector vortices in parametric down-conversion with a two-type-I-crystal source, frequently employed in the generation of polarization entangled states. Finally, we demonstrate that, for this source architecture and adequate pump beam preparation, the three-wave mixing process acts as a vector phase conjugation device.