Светоделитель

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален Найти источники:  «Beam splitter»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( май 2014 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Схематическое изображение куба светоделителя.
1 - Падающий свет
2 - 50% проходящего света
3 - 50% отраженного света
На практике отражающий слой поглощает некоторое количество света.

Делители луча

Расщепитель луча (или светоделитель ^[1] ) представляет собой оптическое устройство , который разделяет луч света на две части . Это важная часть многих оптических экспериментальных и измерительных систем, таких как интерферометры , которые также находят широкое применение в волоконно-оптических телекоммуникациях .

Конструкции светоделителей [ править ]

В своей наиболее распространенной форме, кубе, он состоит из двух треугольных стеклянных призм, которые склеены в основании с помощью клея на полиэфирной, эпоксидной или уретановой основе. Толщина слоя смолы регулируется таким образом, что (для определенной длины волны ) половина света, падающего через один «порт» (то есть грань куба), отражается, а другая половина проходит из-за нарушенного полного внутреннего отражения . Поляризационные светоделители , такие как призма Волластона , используют двулучепреломляющие материалы для разделения света на два луча с ортогональными состояниями поляризации .

Светоделитель с алюминиевым покрытием.

Другой вариант - использование полупрозрачного зеркала. Он состоит из оптической подложки, которая часто представляет собой лист стекла или пластика с частично прозрачным тонким покрытием из металла. Тонкое покрытие может быть алюминием, нанесенным из паров алюминия с использованием метода физического осаждения из паровой фазы . Толщина покрытия регулируется таким образом, чтобы часть (обычно половина) света, который падает под углом 45 градусов и не поглощается материалом покрытия или подложки, проходит, а остальная часть отражается. Очень тонкое наполовину посеребренное зеркало, используемое в фотографии , часто называют пленочным зеркалом . Для уменьшения потерь света из-за поглощения световозвращающим покрытием, т.н.Использовались светоделительные зеркала типа « швейцарский сыр ». Первоначально это были листы хорошо отполированного металла, перфорированные с отверстиями для получения желаемого отношения отражения к пропусканию. Позже металл напыляли на стекло, чтобы образовалось прерывистое покрытие или небольшие участки сплошного покрытия удаляли химическим или механическим воздействием, получая буквально «наполовину посеребренную» поверхность.

Вместо металлического покрытия можно использовать дихроичное оптическое покрытие . В зависимости от его характеристик отношение отражения к пропусканию будет изменяться в зависимости от длины волны падающего света. Дихроичные зеркала используются в некоторых прожекторах с эллипсоидальными отражателями для разделения нежелательного инфракрасного (теплового) излучения, а также в качестве выходных ответвителей в конструкции лазера .

Третья версия светоделителя представляет собой сборку дихроичной зеркальной призмы, в которой используются дихроичные оптические покрытия для разделения входящего светового луча на ряд спектрально различных выходных лучей. Такое устройство использовалось в цветных телевизионных камерах с тремя трубками и трехполосной кинокамере Technicolor . В настоящее время он используется в современных камерах с тремя ПЗС. Оптически подобная система используется в обратном направлении в качестве сумматора лучей в трех ЖК- проекторах, в которых свет от трех отдельных монохромных ЖК-дисплеев объединяется в одно полноцветное изображение для проецирования.

Делители луча с одномодовым ^{[ требуется пояснение ]} оптоволокном для сетей PON используют одномодовое поведение для разделения луча. ^{[ необходима цитата ]} Разветвитель делается путем физического сращивания двух волокон «вместе» как X.

Расположение зеркал или призм, используемых в качестве насадок для фотоаппаратов для фотографирования пар стереоскопических изображений с одним объективом и одной экспозицией, иногда называют «светоделителями», но это неправильное название, поскольку они фактически представляют собой пару перископов, перенаправляющих лучи света, которые уже не являются -совпадение. В некоторых очень необычных насадках для стереоскопической фотографии зеркала или призматические блоки, подобные светоделителям, выполняют противоположную функцию, накладывая виды объекта с двух разных точек зрения с помощью цветных фильтров, чтобы обеспечить прямое создание анаглифного 3D- изображения, или через быстро меняющиеся жалюзи. для записи последовательного поля 3D видео.

Фазовый сдвиг [ править ]

Делители луча иногда используются для рекомбинации лучей света, как в интерферометре Маха – Цендера . В этом случае есть два входящих луча и, возможно, два исходящих луча. Но амплитуды двух выходящих лучей представляют собой суммы (комплексных) амплитуд, вычисленных для каждого из входящих лучей, и это может привести к тому, что один из двух выходящих лучей будет иметь нулевую амплитуду. Чтобы сохранить энергию (см. Следующий раздел), должен быть фазовый сдвиг по крайней мере в одном из исходящих лучей. Например, если поляризованная световая волна в воздухе попадает в диэлектрик.поверхность, такая как стекло, и электрическое поле световой волны находится в плоскости поверхности, тогда отраженная волна будет иметь фазовый сдвиг π, а прошедшая волна не будет иметь фазового сдвига. Поведение продиктовано уравнениями Френеля . ^[2] Это не относится к частичному отражению от проводящих (металлических) покрытий, когда другие фазовые сдвиги возникают на всех путях (отраженных и прошедших). В любом случае детали фазовых сдвигов зависят от типа и геометрии светоделителя.

Классический светоделитель без потерь [ править ]

Для светоделителей с двумя входящими лучами с использованием классического светоделителя без потерь с электрическими полями E _a и E _b, каждое из которых падает на один из входов, два выходных поля E _c и E _d линейно связаны с входами через

${\ displaystyle {\ begin {bmatrix} E_ {c} \\ E_ {d} \ end {bmatrix}} = {\ begin {bmatrix} r_ {ac} & t_ {bc} \\ t_ {ad} & r_ {bd} \ end {bmatrix}} {\ begin {bmatrix} E_ {a} \\ E_ {b} \ end {bmatrix}},}$

где элемент 2 × 2 представляет собой матрицу светоделителя, а r и t - коэффициент отражения и пропускания на конкретном пути через светоделитель, причем этот путь указывается нижними индексами. (Значения зависят от поляризации света.)

Если светоделитель не удаляет энергию из световых лучей, общая выходная энергия может быть приравнена к общей входной энергии, считая

${\ displaystyle | E_ {c} | ^ {2} + | E_ {d} | ^ {2} = | E_ {a} | ^ {2} + | E_ {b} | ^ {2}.}$

Это требование означает, что матрица светоделителя унитарна .

Разработка общего вида унитарной матрицы 2 × 2. Требование сохранения энергии приводит к взаимосвязи между отражательной способностью и пропусканием.

${\ displaystyle | r_ {ac} | ^ {2} + | t_ {ad} | ^ {2} = | r_ {bd} | ^ {2} + | t_ {bc} | ^ {2} = 1}$

и

${\ displaystyle r_ {ac} t_ {bc} ^ {\ ast} + t_ {ad} r_ {bd} ^ {\ ast} = 0,}$

где " " обозначает комплексное сопряжение. Расширяя, можно записать каждый r и t как комплексное число, имеющее амплитуду и фазовый коэффициент; например, . Фазовый фактор учитывает возможные сдвиги фазы луча, когда он отражается или проходит на этой поверхности. Тогда получается${\ displaystyle ^ {\ ast}}$${\ displaystyle r_ {ac} = | r_ {ac} | e ^ {я \ phi _ {ac}}}$

${\ displaystyle | r_ {ac} || t_ {bc} | e ^ {i (\ phi _ {ac} - \ phi _ {bc})} + | t_ {ad} || r_ {bd} | e ^ {i (\ phi _ {ad} - \ phi _ {bd})} = 0.}$

Дальнейшее упрощение отношения становится

${\ displaystyle {\ frac {| r_ {ac} |} {| t_ {ad} |}} = - {\ frac {| r_ {bd} |} {| t_ {bc} |}} e ^ {i ( \ phi _ {ad} - \ phi _ {bd} + \ phi _ {bc} - \ phi _ {ac})}}$

что верно, когда и экспоненциальный член сокращается до -1. Применяя это новое условие и возводя в квадрат обе стороны, получается${\displaystyle \phi _{ad}-\phi _{bd}+\phi _{bc}-\phi _{ac}=\pi }$

${\displaystyle {\frac {1-|t_{ad}|^{2}}{|t_{ad}|^{2}}}={\frac {1-|t_{bc}|^{2}}{|t_{bc}|^{2}}},}$

где производились подстановки формы . Это приводит к результату${\displaystyle |r_{ac}|^{2}=1-|t_{ad}|^{2}}$

${\displaystyle |t_{ad}|=|t_{bc}|\equiv T,}$

и аналогично,

${\displaystyle |r_{ac}|=|r_{bd}|\equiv R.}$

Отсюда следует, что .${\displaystyle R^{2}+T^{2}=1}$

Определив ограничения, описывающие светоделитель без потерь, исходное выражение можно переписать в виде

${\displaystyle {\begin{bmatrix}E_{c}\\E_{d}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}Re^{i\phi _{ac}}&Te^{i\phi _{bc}}\\Te^{i\phi _{ad}}&Re^{i\phi _{bd}}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}E_{a}\\E_{b}\end{bmatrix}}.}$^[3]

Использовать в экспериментах [ править ]

Светоделители использовались как в мысленных экспериментах, так и в реальных экспериментах в области квантовой теории и теории относительности, а также в других областях физики . Они включают:

• Физо эксперимент 1851 для измерения скорости света в воде
• Майкельсона-Морли 1887 , чтобы измерить эффект (гипотетический) эфир на скорости света
• Хаммар эксперимент 1935 опровергнуть Дейтонского Миллера требование «S положительного результата от повторений эксперимента Майкельсона
• Кеннеди-Торндайк эксперимент 1932 , чтобы проверить независимость скорости света и скорости измерительного устройства
• Тестовые эксперименты Белла (примерно с 1972 г.) для демонстрации последствий квантовой запутанности и исключения локальных теорий скрытых переменных.
• Эксперимент Уиллера с отложенным выбором 1978, 1984 и т. Д., Чтобы проверить, что заставляет фотон вести себя как волна или частица и когда это происходит
• ФЕЛИКС эксперимент (предложенный в 2000 году) , чтобы проверить интерпретацию Пенроуза , что квантовая суперпозиция зависит от пространственно - временной кривизны
• Мах-Цендер , используемый в различных экспериментах, в том числе бомбы тестера Elitzur-Вайдман с участием И ; и другие в области квантовых вычислений

Описание квантовой механики [ править ]

В квантовой механике электрические поля являются операторами, что объясняется вторичным квантованием . Каждый оператор электрического поля может быть дополнительно выражен в терминах режимов ( мода (электромагнетизм) ), представляющих волновое поведение и операторы амплитуды, которые обычно представлены безразмерными операторами создания и уничтожения . Следовательно, отношение амплитуд , и переводится в отношение соответствующих операторов создания , и${\displaystyle {E}_{a},{E}_{b},{E}_{c}}$${\displaystyle {E}_{d}}$${\displaystyle {\hat {a}}_{a},{\hat {a}}_{b},{\hat {a}}_{c}}$${\displaystyle {\hat {a}}_{d}}$

${\displaystyle \left({\begin{matrix}{\hat {a}}_{c}\\{\hat {a}}_{d}\end{matrix}}\right)=\left({\begin{matrix}{r}_{ac}&t_{bc}\\t_{ad}&r_{bd}\end{matrix}}\right)\left({\begin{matrix}{\hat {a}}_{a}\\{\hat {a}}_{b}\end{matrix}}\right).}$

Строгий вывод дан в статье Фирна – Лаудона 1987 г. ^[4]

Для диэлектрического светоделителя 50:50 отраженный и прошедший лучи различаются по фазе на = cos (pi / 2) +/- i.sin (pi / 2). Предполагая, что каждый переданный луч испытывает фазовый сдвиг, входные и выходные поля связаны следующим образом:${\displaystyle e^{\pm i{\frac {\pi }{2}}}=\pm i}$${\displaystyle {\frac {\pi }{2}}}$

${\displaystyle {\hat {a}}_{c}={\frac {1}{\sqrt {2}}}\left({\hat {a}}_{a}+i{\hat {a}}_{b}\right),\quad {\hat {a}}_{d}={\frac {1}{\sqrt {2}}}\left(i{\hat {a}}_{a}+{\hat {a}}_{b}\right).}$

Унитарное преобразование , связанное с этим преобразованием

${\displaystyle {\hat {U}}=e^{i{\frac {\pi }{4}}\left({\hat {a}}_{a}^{\dagger }{\hat {a}}_{b}+{\hat {a}}_{a}{\hat {a}}_{b}^{\dagger }\right)}.}$

Используя этот унитарный, можно также записать преобразования как

${\displaystyle \left({\begin{matrix}{\hat {a}}_{c}\\{\hat {a}}_{d}\end{matrix}}\right)={\hat {U}}^{\dagger }\left({\begin{matrix}{\hat {a}}_{a}\\{\hat {a}}_{b}\end{matrix}}\right){\hat {U}}}$

Приложение для квантовых вычислений [ править ]

В 2000 году Knill, Laflamme и Milburn ( протокол KLM ) доказали, что можно создать универсальный квантовый компьютер только с светоделителями, фазовращателями, фотодетекторами и источниками одиночных фотонов. Состояния, которые формируют кубит в этом протоколе, являются однофотонными состояниями двух мод, то есть состояниями | 01> и | 10> в представлении числа заполнения ( состояние Фока ) двух мод. Используя эти ресурсы, можно реализовать любой вентильный вентиль с одним кубитом и вероятностный вентиль с 2 кубитами. Делитель луча является важным компонентом в этой схеме, поскольку он единственный, который создает сцепление между фоковскими состояниями .

Подобные настройки существуют для обработки квантовой информации с непрерывными переменными . Фактически, можно смоделировать произвольные гауссовские (Боголюбовские) преобразования квантового состояния света с помощью светоделителей, фазовращателей и фотодетекторов, при условии, что двухмодовые сжатые вакуумные состояния доступны только как предварительный ресурс (следовательно, эта настройка разделяет определенное сходство с гауссовым аналогом протокола KLM ). ^[5] Строительным блоком этой процедуры моделирования является тот факт, что светоделитель эквивалентен сжимающему преобразованию при частичном обращении времени .

См. Также [ править ]

• Делители мощности и направленные ответвители

Ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме делителей луча .