Разделитель луча


Из Википедии, свободной энциклопедии
  (Перенаправлено с Лучеделителей )
Перейти к навигации Перейти к поиску
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

Светоделитель — это оптическое устройство , разделяющее пучок 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 .

Светоделительные конструкции

В своей наиболее распространенной форме, кубе, светоделитель состоит из двух треугольных стеклянных призм , которые склеены вместе у основания с помощью клея на основе полиэстера, эпоксидной смолы или уретана. (До появления этих синтетических смол использовались натуральные, например, канадский бальзам .) Толщина слоя смолы регулируется таким образом, чтобы (для определенной длины волны ) половина света, падающего через один «порт» (т. е. грань куба) отражается, а другая половина передается из-за FTIR (нарушенного полного внутреннего отражения ) . Поляризационные светоделители , такие как призма Волластона , используют двойное лучепреломление .материалов для разделения света на два луча с ортогональными состояниями поляризации .

Светоделитель с алюминиевым покрытием.

Другой дизайн - использование полупосеребренного зеркала. Он состоит из оптической подложки, которая часто представляет собой лист стекла или пластика с частично прозрачным тонким металлическим покрытием. Тонкое покрытие может представлять собой алюминий , осажденный из паров алюминия с использованием метода физического осаждения из паровой фазы . Толщина покрытия регулируется таким образом, чтобы часть (обычно половина) света, падающего под углом 45 градусов и не поглощаемого материалом покрытия или подложки, пропускалась, а остальная часть отражалась. Очень тонкое наполовину посеребренное зеркало, используемое в фотографии , часто называют пелликулярным зеркалом . Чтобы уменьшить потери света из-за поглощения отражающим покрытием, так называемые "Использовались светоделительные зеркала типа « швейцарский сыр ». Первоначально это были листы хорошо отполированного металла с отверстиями для получения желаемого соотношения отражения и пропускания. Позже металл напыляли на стекло, чтобы образовать прерывистое покрытие, или небольшие участки сплошного покрытия удалялись химическим или механическим воздействием, чтобы получить буквально «полупосеребренную» поверхность.

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

Третья версия светоделителя представляет собой узел дихроичной зеркальной призмы , в котором используются дихроичные оптические покрытия для разделения входящего светового луча на несколько спектрально различных выходных лучей. Такое устройство использовалось в цветных телевизионных камерах с тремя головками звукоснимателя и в трехполосной кинокамере Technicolor . В настоящее время он используется в современных камерах с тремя ПЗС. Оптически похожая система используется в качестве объединителя лучей в проекторах с тремя ЖК - дисплеями, в которых свет от трех отдельных монохромных ЖК-дисплеев объединяется в одно полноцветное изображение для проецирования.

Разделители луча с одномодовым волокном для сетей PON используют одномодовое поведение для разделения луча. [ править ] Разветвитель создается путем физического сращивания двух волокон «вместе» в виде X.

Расположение зеркал или призм, используемых в качестве насадок для фотокамеры для фотографирования пар стереоскопических изображений с одним объективом и одной экспозицией, иногда называют «делителями луча», но это неправильное название, поскольку они фактически представляют собой пару перископов , перенаправляющих лучи света, которые уже не -совпадение. В некоторых очень необычных насадках для стереоскопической фотографии зеркала или призматические блоки, похожие на светоделители, выполняют противоположную функцию, накладывая виды объекта с двух разных точек зрения через цветные фильтры, чтобы обеспечить прямое создание анаглифического 3D- изображения, или через быстро чередующиеся затворы . для записи последовательного полевого 3D- видео.

Сдвиг фазы

Фазовый сдвиг через светоделитель с диэлектрическим покрытием.

Светоделители 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, рассчитанных для каждого из входящих лучей, и может получиться, что один из двух выходящих лучей имеет нулевую амплитуду. Для сохранения энергии (см. следующий раздел) должен быть фазовый сдвиг хотя бы в одном из исходящих лучей. Например (см. красные стрелки на рисунке справа), если волна поляризованного света в воздухе попадает на диэлектрикповерхности, такой как стекло, и электрическое поле световой волны находится в плоскости поверхности, то отраженная волна будет иметь фазовый сдвиг π, а прошедшая волна не будет иметь фазового сдвига; синяя стрелка не улавливает фазового сдвига, поскольку отражается от среды с более низким показателем преломления. Поведение диктуется уравнениями Френеля . [1] Это не относится к частичному отражению от проводящих (металлических) покрытий, где другие фазовые сдвиги имеют место на всех путях (отраженных и прошедших). В любом случае детали фазовых сдвигов зависят от типа и геометрии светоделителя.

Классический светоделитель без потерь

Для светоделителей с двумя входящими лучами, использующих классический светоделитель 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 со входами через

где элемент 2×2 представляет собой передаточную матрицу светоделителя, а r и t представляют собой коэффициенты отражения и пропускания вдоль конкретного пути через светоделитель, этот путь указывается нижними индексами. (Значения зависят от поляризации света.)

Если светоделитель не удаляет энергию из световых лучей, общую выходную энергию можно приравнять к полной входной энергии, читая

Вставка результатов из приведенного выше уравнения переноса с дает

и аналогично для тогда

Когда оба и отличны от нуля, и используя эти два результата, мы получаем

где " " указывает на комплексно-сопряженную связь. Теперь легко показать, где находится тождество, т. е. передаточная матрица светоделителя является унитарной матрицей .


Расширяя, можно записать каждое r и t как комплексное число , имеющее амплитудный и фазовый коэффициенты; например, . Фазовый коэффициент учитывает возможные сдвиги фазы луча при его отражении или передаче от этой поверхности. Тогда получается

При дальнейшем упрощении отношение становится

что верно, когда и экспоненциальный член уменьшается до -1. Применяя это новое условие и возводя обе стороны в квадрат, получается

где были произведены замены формы . Это приводит к результату

и аналогично,

Отсюда следует, что .

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

[2]

Используя ограничение и применяя различные значения для фаз, можно объяснить множество различных форм светоделителя, которые можно увидеть широко используемыми. Например, когда , это становится:

Использование в экспериментах

Светоделители использовались как в мысленных экспериментах, так и в реальных экспериментах в области квантовой теории , теории относительности и других областях физики . К ним относятся:

  • Эксперимент Физо 1851 года по измерению скорости света в воде.
  • Эксперимент Майкельсона-Морли 1887 года по измерению влияния (гипотетического) светоносного эфира на скорость света.
  • Эксперимент Хаммара 1935 года, опровергающий утверждение Дейтона Миллера о положительном результате повторения эксперимента Майкельсона-Морли.
  • Эксперимент Кеннеди-Торндайка 1932 г. по проверке независимости скорости света и скорости измерительного прибора.
  • Тестовые эксперименты Белла (примерно 1972 г.) для демонстрации последствий квантовой запутанности и исключения теорий локальных скрытых переменных .
  • Эксперимент Уилера с отложенным выбором 1978, 1984 и т. Д., Чтобы проверить, что заставляет фотон вести себя как волна или частица и когда это происходит.
  • Эксперимент FELIX (предложенный в 2000 г.) для проверки интерпретации Пенроуза о том, что квантовая суперпозиция зависит от кривизны пространства-времени.
  • Интерферометр Маха-Цендера , используемый в различных экспериментах, включая тестер бомбы Элицура-Вайдмана, включающий измерения без взаимодействия ; и в других в области квантовых вычислений

Квантово-механическое описание

В квантовой механике электрические поля являются операторами, что объясняется вторичным квантованием и состояниями Фока . Каждый оператор электрического поля может быть дополнительно выражен в терминах мод, представляющих волновое поведение и операторы амплитуды, которые обычно представлены безразмерными операторами создания и уничтожения . В этой теории четыре порта светоделителя представлены состоянием количества фотонов, а действие операции создания равно . Соотношение между амплитудами классического поля и создаваемого светоделителем преобразуется в такое же отношение соответствующих квантовых операторов рождения (или уничтожения) и, так что

где передаточная матрица приведена выше в разделе классического светоделителя без потерь :

В случае светоделителя 50:50 общие предположения для фаз дают

Первый выбор для может соответствовать рассмотренному выше диэлектрическому светоделителю со сдвигом фазы на 180 градусов для одного из отражений. Последний вариант может соответствовать более симметричному светоделителю с фазовым сдвигом на 90 градусов для обоих отражений и обратным порядком маркировки выходного порта.

Так как унитарно, , т.е.

Это эквивалентно утверждению, что если мы начнем с состояния вакуума и добавим фотон в порт а, чтобы произвести

то светоделитель создает суперпозицию на выходах

Следовательно, вероятности выхода фотона через порты c и d равны и , как и следовало ожидать.


Аналогично, для любого состояния ввода

и выход

Используя мультибиномиальную теорему , это можно записать

где - биномиальные коэффициенты, и следует понимать, что в последней строке этот коэффициент равен нулю, если и т. д., и - это общее количество фотонов.

Множитель коэффициента передачи/отражения в последнем уравнении может быть изменен с помощью условий, налагаемых условием унитарности (эквивалентным закону сохранения энергии из приведенного выше раздела классического светоделителя без потерь ), а именно .

где и . Отмены теперь можно увидеть из-за термина. Например, если светоделитель составляет 50:50, т.е. и если все нечетные, то i - й член точно сокращается с членом с тем же биномиальным коэффициентом.

Известным примером этого является эффект Хонга-Оу-Манделя , в котором вход имеет , поэтому и, следовательно, выход равен

Теперь сосредоточив внимание на термине (для которого , таким образом удовлетворяя условию, что все равны и нечетны), и используя условие унитарности и , мы находим, что , и, следовательно,

т.е. вероятность выхода с фотоном в каждую моду (событие совпадения) равна нулю. Обратите внимание, что это верно для всех типов светоделителей 50:50, независимо от деталей фаз, и фотоны должны быть только неразличимы.


Строгий вывод дан в статье Ферна-Лаудона 1987 года. [3]


Несимметричный светоделитель

В общем, для несимметричного светоделителя, а именно для светоделителя, у которого коэффициенты передачи и отражения не равны, можно определить такой угол , что

где и – коэффициенты отражения и прохождения. Тогда унитарная операция, связанная с светоделителем, тогда

Приложение для квантовых вычислений

В 2000 году Книлл, Лафламм и Милберн ( протокол KLM ) доказали, что можно создать универсальный квантовый компьютер исключительно с помощью светоделителей, фазовращателей, фотодетекторов и источников одиночных фотонов. Состояния, формирующие 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 любые однокубитные и двухкубитные вероятностные вентили. Светоделитель является важным компонентом этой схемы, поскольку только он создает запутанность между состояниями Фока .

Аналогичные настройки существуют для непрерывно-переменной обработки квантовой информации . На самом деле можно смоделировать произвольные гауссовы (боголюбовские) преобразования квантового состояния света с помощью светоделителей, фазовращателей и фотодетекторов, учитывая, что двухмодовые сжатые состояния вакуума доступны только в качестве предварительного ресурса (эта настройка, следовательно, разделяет определенное сходство с гауссовым аналогом протокола KLM ). [4] Основным элементом этой процедуры моделирования является тот факт, что светоделитель эквивалентен преобразованию сжатия при частичном обращении времени .

Смотрите также

  • Делители мощности и направленные ответвители

использованная литература

  1. ^ Зети, КП; Адамс, Сан-Франциско; Токнелл, Р. М., Как работает интерферометр Маха – Цендера? (PDF) , получено 13 февраля 2014 г.
  2. ^ Р. Лаудон, Квантовая теория света, третье издание, Oxford University Press, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, 2000.
  3. ^ Страх, Х .; Лаудон, Р. (1987). «Квантовая теория светоделителя без потерь». Оптические коммуникации . 64 (6): 485–490. doi : 10.1016/0030-4018(87)90275-6 .
  4. ^ Чахмахчян, Левон; Серф, Николя (2018). «Моделирование произвольных гауссовских схем с линейной оптикой». Физический обзор А. 98 : 062314. arXiv : 1803.11534 . doi : 10.1103/PhysRevA.98.062314 .
Получено с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Beam_splitter&oldid=1066079042 "