Spontaneous Parametric Down-Conversion

Spontaneous parametric down-conversion (SPDC) wird im deutschen als Parametrische Fluoreszenz bezeichnet.

Unter Parametrischer Fluoreszenz (engl. Spontaneous parametric down-conversion, SPDC) versteht man die Umwandlung eines Photons zu zwei Sekundärphotonen (Zs, Zi) in einem nichtlinearen optischen Kristall. Die Wellenlängen beziehungsweise die Frequenzen der dabei entstehenden Signal- und Idler-Photonen sind dabei aufgrund der Energieerhaltung mit dem Pump-Photon verknüpft.

Die verschiedenen Modes zeigen die Intensitäts-Verteilungen im Strahl der Pump-Photonen, wie auch die Intensitäts-Verteilungen der resultierenden paarweise verschränkten Photonen im Signal-Strahl und Idler-Strahl.

Testaufbau

Ein typischer Testaufbau (a) ist:

Die Pump-Photonen spalten sich zum Teil in zwei Photonen mit doppelter Wellenlänge im Kristall auf. Sie verlassen den Kristall in unterschiedliche Richtungen. Der eine Strahl wird Signal-Strahl und der andere wird Idler-Strahl genannt.

In der Regel wird ein Strahl durch eine Lochblende an einem festen Detektor registriert, während an dem anderen Strahl ein beweglicher Detektor die räumliche Abweichungen der Photonen registriert.

Beide Strahlen werden über eine Elektronik verglichen, damit nur Photonen, die miteinander verschränkt sind auch miteinander verglichen werden. Alle anderen bleiben unberücksichtigt im Experiment.

Die rechte Grafik (b) zeigt, dass auch die räumliche Abweichungen von der Mitte im Z1 und Z2 Strahl so miteinander korrelieren, dass sie bei einer Verreinigung wieder den Ort des virtuellen Pump-Photons im Z Strahl ergeben würden.

Umwandlungseffizienz

Die Photonenpaare werden anscheinend zufällig erzeugt. Die Umwandlungsrate ist sehr niedrig. Sie liegt in der Größenordnung von 1 Paar Photonen pro 1012 Eingangs-Photonen am Kristall.

Finale Theorie

Die Eingangs-Photonen treffen irgendwo im Kristall auf ein Atom oder ein bestimmes Molekül im Gitter, mit dem sie dann ein Konflikt des gleichen Ortes haben. Dieses Atom absorbiert das Photon. Um die Systemstabilität des Kristalls aufrecht zu halten ist es unter bestimmten Bedingungen optimal für den Kristall, dass das Atom oder das Molekül im Kristall zwei Photonen mit der doppelten Wellenlänge gleichzeitig in unterschiedliche Richtungen emittiert.

Die meisten Photonen gehen entweder durch den Kristall durch, ohne einen Konflikt mit einem Atom oder Molekül zu bekommen, oder sie haben so einen Konflikt mit einem Atom oder Molekül, dass es ausreicht ein gleiches Photon wieder zu emittieren, um die Systemstabilität des Kristalls zu sichern.

Man müsste die jeweilige momentane Situation des Atoms oder Moleküls im Konfliktfall kennen, um erkennen zu können, warum dies die beste Reaktion des Atoms oder Moleküls ist.

Es wäre interessant zu sehen, wie sich so ein System bei sehr niedrigen Temperaturen des Kristalls verhält.