Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Согласованность определяется как способность волн мешать друг другу. Интуитивно понятно, что когерентные волны имеют четко определенное постоянное фазовое соотношение. Однако эксклюзивное и обширное физическое определение когерентности имеет более тонкие нюансы. Функции когерентности, введенные Глаубером и другими в 1960-х годах, улавливают математику, лежащую в основе интуиции, определяя корреляцию между компонентами электрического поля как когерентность. [1] Эти корреляции между компонентами электрического поля могут быть измерены до произвольных порядков, что приводит к концепции различных порядков когерентности. [2]Когерентность, встречающаяся в большинстве оптических экспериментов, включая классический эксперимент Юнга с двойной щелью и интерферометр Маха-Цендера, является когерентностью первого порядка. Роберт Хэнбери Браун и Ричард К. Твисс провели эксперимент по корреляции в 1956 году и выявили другой вид корреляции между полями, а именно корреляцию интенсивностей, которая соответствует когерентности второго порядка. [3] Когерентность более высокого порядка становится актуальной в экспериментах по подсчету совпадений фотонов. [4]Порядки когерентности можно измерить с помощью классических корреляционных функций или с помощью квантового аналога тех функций, которые принимают квантово-механическое описание электрического поля (операторов) в качестве входных данных. Хотя функции квантовой когерентности могут давать те же результаты, что и классические функции, лежащий в основе механизм и описание физических процессов принципиально отличаются, потому что квантовая интерференция имеет дело с интерференцией возможных историй, тогда как классическая интерференция имеет дело с интерференцией физических волн. [1]

Определение [ править ]

Электрическое поле можно разделить на его положительную и отрицательную частотные составляющие . Любая из двух частотных составляющих содержит всю физическую информацию о волне. [1] Классическая корреляционная функция первого, второго и n-го порядков определяется следующим образом.

,
,
,
где представляет . Хотя порядок и не имеет значения в классическом случае, поскольку они являются просто числами и, следовательно, коммутируют, порядок жизненно важен в квантовом аналоге этих корреляционных функций. [2] Первая функция порядка корреляции, измеренный в то же время и позиция дает нам интенсивность т.е. . Классический п-го порядка , нормированная функция корреляции определяется путем деления п-го порядка функции корреляции всех соответствующих интенсивностей: .

В квантовой механике положительные и отрицательные частотные компоненты электрического поля заменяются операторами и соответственно. На изображении Гейзенберга , где - вектор поляризации, - это единичный вектор, перпендикулярный к , с обозначением одного из двух векторов, перпендикулярных вектору поляризации, - это частота моды и - объем. [3] Квантовая корреляционная функция n-го порядка определяется как:

.
Здесь порядки и операторы имеют значения. Это происходит потому , что положительная и отрицательная частота ( а ) компоненты пропорциональны annhiliation и операторы рождения соответственно, и не коммутируют. Когда операторы записываются в порядке, указанном в приведенном выше уравнении, говорят, что они находятся в нормальном порядке. Впоследствии нормализованная корреляционная функция n-го порядка определяется как:
.

Поле называется m-когерентным, если m-я нормализованная корреляционная функция равна единице. Это определение справедливо как для, так и для .

Young Double Slit Experiment [ править ]

Рис. 1. Принципиальная схема установки эксперимента Юнга с двойной щелью.

В эксперименте Юнга с двойной щелью свет от источника света проходит через два отверстия, разделенных некоторым расстоянием, и экран помещается на некотором расстоянии от отверстий, где наблюдается интерференция между световыми волнами (рис. 1). Эксперимент Юнга с двойной щелью демонстрирует зависимость интерференции от когерентности, в частности от корреляции первого порядка. Этот эксперимент эквивалентен интерферометру Маха-Зендера с оговоркой, что эксперимент Юнга с двойной щелью связан с пространственной когерентностью, в то время как интерферометр Маха-Зендера полагается на временную когерентность. [2]

Интенсивность, измеренная в данной позиции во время, равна

.

Световое поле имеет наивысшую степень когерентности, когда соответствующий шаблон интерференции имеет максимальный контраст на экране. Контраст бахромы определяется как .

Классически, а значит . Поскольку согласованность - это способность мешать видимости, и согласованность связаны:

означает высочайший контраст, полную согласованность
означает частичную видимость полосы, частичную согласованность
означает отсутствие контраста, полную несогласованность. [2] [3]

Квантовое описание [ править ]

Классический, электрическое поле в положении , является суммой электрических компонентов поля от на два проколах и более ранних времен солидно т.е. . Соответственно, в квантовом описании операторы электрического поля аналогично связаны между собой , . Из этого следует

.

Интенсивность колеблется в зависимости от положения, т.е. квантово-механическая обработка также предсказывает интерференционные полосы. Более того, в соответствии с интуитивным пониманием когерентности, то есть способности создавать помехи, интерференционные картины зависят от корреляционной функции первого порядка . [1] Сравнивая это с классической интенсивностью, мы отмечаем, что единственное отличие состоит в том, что классическая нормализованная корреляция теперь заменена квантовой корреляцией . Даже вычисления здесь поразительно похожи на те, которые можно было бы сделать классическим способом. [2]Однако возникающая при этом квантовая интерференция принципиально отличается от классической интерференции электромагнитных волн. Квантовая интерференция возникает, когда две возможные истории, учитывая конкретное начальное и конечное состояние, интерферируют. В этом эксперименте, учитывая начальное состояние фотона перед крошечным отверстием и его конечное состояние на экране, две возможные истории соответствуют двум крошечным отверстиям, через которые фотон мог бы пройти. Следовательно, квантово-механически здесь фотон интерферирует сам с собой. Однако такое взаимовлияние разных историй происходит только тогда, когда у наблюдателя нет конкретного способа определить, какая из разных историй действительно имела место. Если наблюдение за системой определяет путь фотона, то в среднем интерференция амплитуд исчезнет.[1]

Хэнбери Браун и Твисс Эксперимент [ править ]

Рис. 2. Принципиальная схема установки для оригинального эксперимента Хэнбери Брауна и Твисса.

В эксперименте Хэнбери Брауна и Твисса (рис. 2) световой луч разделяется с помощью светоделителя, а затем обнаруживается детекторами, которые находятся на одинаковом расстоянии от светоделителя. Затем сигнал, измеренный вторым детектором, задерживается по времени, и подсчитывается степень совпадения между исходным и задержанным сигналами. Этот эксперимент коррелирует интенсивности, а не электрические поля и, следовательно, измеряет корреляционную функцию второго порядка

.
В предположении стационарной статистики в данной позиции нормализованная корреляционная функция имеет вид

здесь измеряет вероятность совпадения двух фотонов, обнаруженных с разницей во времени . [2]

Для всех разновидностей хаотического света имеет место следующее соотношение между когерентностями первого и второго порядков:

.

Это соотношение верно как для классических, так и для квантовых корреляционных функций. Более того, как всегда принимает значение от 0 до 1, для хаотического светового луча . Источником света, который использовали Хэнбери Браун и Твисс, был звездный свет, который носит хаотический характер. Хэнбери Браун и Твисс использовали этот результат для вычисления когерентности первого порядка по их измерениям когерентности второго порядка. Наблюдаемая когерентность второго порядка кривая была такой, как показано на рисунке 2. [5]

Для гауссовского источника света . Часто гауссовский источник света хаотичен и, следовательно,

Рис. 3. Когерентность второго порядка для звездного света, измеренная в эксперименте Хэнбери Брауна и Твисса, как функция временной задержки, вносимой между сигналами , где - длина когерентности.

.

Эта модель соответствует наблюдению, которое было выполнено Ханбери Брауном и Твиссом с использованием звездного света, как показано на рисунке 4. Если бы вместо звездного света в той же установке использовался тепловой свет, то мы бы увидели бы другую функцию для когерентности второго порядка. [5] Тепловой свет можно смоделировать как лоренцевский спектр мощности с центром вокруг частоты , что означает , где - длина когерентности луча. Соответственно, и . Когерентность второго порядка для звездного (гауссова), теплового (лоренцевского) и когерентного света показана на рисунке 5. Обратите внимание, что когда звездный / тепловой пучок света является когерентным первого порядка, т. Е., когерентность второго порядка равна 2, что означает, что при нулевой временной задержке хаотический свет справа когерентен первого порядка, но не когерентен второго порядка. [3] [5]

Квантовое описание [ править ]

Классически мы можем думать о световом луче как о имеющем распределение вероятностей как функцию амплитуд мод и, в этом случае, как о корреляционной функции второго порядка . Если мы предположим, что квантовое состояние установки равно , то квантово-механическая корреляционная функция , которая совпадает с классическим результатом. [6]

Рис. 4. Когерентность второго порядка для теплового, звездного и когерентного света как функция временной задержки. - длина когерентности светового луча.

Как и в случае эксперимента Юнга с двойной щелью, классическое и квантовое описание приводят к одному и тому же результату, но это не означает, что два описания эквивалентны. Классически световые лучи прибывают в виде электромагнитной волны и интерферируют из-за принципа суперпозиции. Квантовое описание не так однозначно. Чтобы понять тонкости квантового описания, предположим, что фотоны из источника испускаются независимо друг от друга в источнике и что фотоны не разделяются светоделителем. Когда интенсивность источника установлена ​​на очень низкую, так что в любой момент может быть обнаружен только один фотон, учитывая тот факт, что могут быть случайные совпадения, которые статистически не зависят от времени,счетчик совпадений не должен изменяться в зависимости от разницы во времени. Однако, как показано на рисунке 3., для звездного света, так что без задержки и с большой задержкой по времени . Следовательно, даже когда не было временной задержки, фотоны от источника приходили парами! Этот эффект называется группировкой фотонов. Более того, если бы у источника использовался лазерный свет вместо хаотического света, то когерентность второго порядка не зависела бы от временной задержки. Эксперимент HBT позволяет провести принципиальное различие в способе излучения фотонов из лазера по сравнению с естественным источником света. Такое различие не улавливается классическим описанием интерференции волн. [1]

Когерентности высшего порядка и математические свойства функций когерентности [ править ]

Для целей стандартных оптических экспериментов когерентность - это просто когерентность первого порядка, а когерентность более высокого порядка обычно игнорируется. Когерентность более высокого порядка измеряется в экспериментах по подсчету совпадений фотонов. Корреляционная интерферометрия использует когерентность четвертого порядка и выше для выполнения звездных измерений. [4] [7] Мы можем рассматривать это как среднюю степень совпадения обнаружения фотонов в положениях. [3] Физически эти показатели всегда положительны, а значит .

когерентные поля m-го порядка [ править ]

Поле называется когерентным m-го порядка, если существует такая функция , что все корреляционные функции для факторизации. Условно это означает

Факторизуемость всех корреляционных функций подразумевает это . Как было определено , из этого следует, что при , если поле m-когерентно. [7] Для m-когерентного поля регистрируемые фотоны будут обнаруживаться статистически независимо друг от друга. [1]

Верхняя граница порядка согласованности [ править ]

Учитывая верхнюю границу количества фотонов, которые могут присутствовать в поле, существует верхняя граница M-й когерентности, которую может иметь поле. Это потому, что оператор уничтожения пропорционален. Чтобы убедиться в этом, начните со смешанного состояния поля . Если эта сумма имеет верхний предел на п, т , т.е. , пропорционально для . Этот результат был бы не интуитивно понятным в классическом описании, но, к счастью, такой случай не имеет классического аналога, потому что мы не можем установить верхнюю границу количества фотонов в классическом случае. [1]

Стационарность статистики [ править ]

Имея дело с классической оптикой, физики часто предполагают, что статистика системы стационарна. Это означает, что, хотя наблюдения могут колебаться, основная статистика системы остается постоянной с течением времени. Квантовый аналог стационарной статистики требует, чтобы оператор плотности, содержащий информацию о волновой функции, коммутировал с гамильтонианом. Благодаря уравнению Шредингера,, стационарная статистика означает, что оператор плотности не зависит от времени. Следовательно, в , благодаря цикличности следа, мы можем преобразовать временную независимость оператора плотности в картине Шредингера к временной независимости и , в картине Гейзенберга, давая нам

.

Это означает, что в предположении, что основная статистика системы является стационарной, корреляционные функции n-го порядка не изменяются, когда каждый раз аргумент переводится на одну и ту же величину. Другими словами, вместо того, чтобы смотреть на фактическое время, корреляционная функция занимается только разницей во времени. [1]

Когерентные состояния [ править ]

Когерентное состояние - это квантово-механические состояния, которые имеют максимальную когерентность и имеют наиболее «классическое» поведение. Когерентное состояние определяется как квантово-механическое состояние, которое является собственным состоянием оператора электрического поля . Поскольку когерентное состояние прямо пропорционально оператору уничтожения, оно является собственным состоянием оператора уничтожения. Учитывая когерентное состояние , . Следовательно, когерентные состояния имеют все порядки когерентности как ненулевые. [8]

См. Также [ править ]

  • Степень согласованности
  • Эффект Хэнбери Брауна и Твисса
  • Двойной щелевой эксперимент
  • Интерференционный эксперимент Юнга
  • Интерферометр Маха – Цендера

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e f g h i Глаубер, Рой Дж. (01.01.2006). «Оптическая когерентность и статистика фотонов». Квантовая теория оптической когерентности . Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. С. 23–182. DOI : 10.1002 / 9783527610075.ch2 . ISBN 9783527610075.
  2. ^ a b c d e f Мейстр, Пьер; Сарджент, Мюррей (2007-09-04). Элементы квантовой оптики . Springer Science & Business Media. ISBN 9783540742111.
  3. ^ a b c d e Джерри, Кристофер; Рыцарь, Питер (01.01.2005). Введение в квантовую оптику . Издательство Кембриджского университета. ISBN 9780521527354.
  4. ^ a b Перина, янв (1991-11-30). Квантовая статистика линейных и нелинейных оптических явлений . Springer Science & Business Media. ISBN 9780792311713.
  5. ^ a b c Лаудон, Родни (2000-09-07). Квантовая теория света . ОУП Оксфорд. ISBN 9780191589782.
  6. Дойч, Иван (12 ноября 2015 г.). «Лекции по квантовой оптике» (PDF) . Интерферометрия и когерентность: Хэнбери Браун и Твисс . Университет Нью-Мексико . Проверено 10 декабря 2015 года . CS1 maint: discouraged parameter (link)
  7. ^ a b Hau-Riege, Стефан П. (2015-01-12). Нерелятивистская квантовая рентгеновская физика . Джон Вили и сыновья. ISBN 9783527411603.
  8. ^ Ламбропулос, Питер; Петросян, Давид (2007). Основы квантовой оптики и квантовой информации - Спрингер . DOI : 10.1007 / 978-3-540-34572-5 . ISBN 978-3-540-34571-8.