QUANTUM OPTICS - o sectiune de optica care studiaza statisticile. proprietățile câmpurilor ușoare și manifestarea cuantică a acestor proprietăți în procesele de interacțiune a luminii cu materia. Ideea structurii cuantice a radiațiilor a fost introdusă de M. Planck în 1900. Câmpul luminos, ca orice altă fizică. câmpul, în virtutea naturii sale cuantice, este un obiect de natură statistică, adică starea sa este determinată într-un sens probabilistic. Din anii '60. a început un studiu intensiv al statisticilor. proprietatile optice. gama de elmagne. radiații, asociate cu o serie de motive. În primul rând, crearea de lasere a deschis posibilitatea formării câmpurilor ușoare cu dezacorduri. statistică. proprietati - fundamental nou fiz. obiecte. (surse Pre laser ușoare în statistică lor Proprietățile astfel generator de zgomot având o distribuție gaussiană.). In plus, procesul cuantic al producției foton spontane reprezintă o sursă inevitabilă de fluctuații semnificative ale câmpurilor studiate de K. despre.; În cele din urmă, chiar înregistrarea luminii de către fotoreceptoare - fotocanele - este un proces aleatoriu cuantic discret. În plus față de aceste inevitabile și specifice. pentru K. o. cuantele cuantice ale stochasticității câmpurilor de lumină pot cauza diferite. altele, de exemplu. tehn. zgomotul generatoarelor de radiații, împrăștierea luminii într-un mediu și așa mai departe. constă în relația sa cu optica neliniară; pe de o parte, în optica neliniară. procese există o schimbare în statistici. proprietățile câmpului luminos, pe de altă parte - statisticile câmpului afectează fluxul proceselor neliniare. Unul dintre cei mai importanți. Problemele de difracție cuantică sunt determinarea stării câmpului luminos. Soluția sa este practic posibilă numai în limite. forma chiar și pentru monocrom. deoarece, de exemplu, are un număr infinit de grade de libertate. stări cu un număr arbitrar de fotoni. Din acest motiv, caracteristicile reale ale câmpului luminos sunt de fapt investigate, similare cu cele studiate în statistici. fizica. În K. o. Starea câmpului și imaginea fluctuațiilor sale sunt descrise prin funcții de corelare. sau corelatoare de câmp. Acestea sunt definite ca fiind cuantic-mecanice. mediile operatorilor de câmp (vezi și Teoria câmpului cuantic). Cele mai simple caracteristici ale câmpului sunt spectrul și cf. intensitate. Aceste caracteristici se găsesc, de exemplu, din experimente. intensitatea luminii - de la măsurătorile ratei de fotosimizare a electronilor într-un fotomultiplicator. Teoretic, aceste cantități sunt descrise (fără a ține seama de polarizarea câmpului) de către corelatorul de câmp în care componentele conjugate hermitiene ale operatorului sunt electrice. domenii
în punctul spațiu-timp x = (r, t). Operatorul este exprimat în termenii operatorului de anihilare (vezi cuantizarea secundară) a fotonului din modul "k" al câmpului Uk (r):
În consecință, este exprimată în termenii operatorului de naștere Sign <.> denotă medierea cuantică asupra stărilor câmpului și dacă se ia în considerare interacțiunea cu materia, apoi și asupra stărilor materiei. Doar în cazuri speciale (de exemplu în câmpurile Gaussian) informațiile complete despre starea câmpului sunt conținute în corelarea G 1,1 (x1, X2). În cazul general, o determinare detaliată a stării câmpului necesită cunoașterea corelațiilor. de ordin al ordinelor superioare (ranguri). Forma standard a corelatoarelor, datorită legăturii sale cu înregistrarea absorbției fotonilor, este ordonată în mod normal:
în care toți operatorii de naștere n sunt la stânga tuturor operatorilor de distrugere n. Ordonatorul corelator este egal cu suma n + m. Practic, este posibil să se investigheze corelatoarele comenzilor mici. De cele mai multe ori, este un corelator G 2,2 (x1, x2, x2, X1), care caracterizează fluctuațiile intensității radiației. se constată din experimente privind numărarea comună a fotonilor de către doi detectori. În mod similar, un corelator G n, n (x1 ... xn; xn ... x1) este determinat de la înregistrarea numărului de fotoni și a receptoarelor sau de la datele de absorbție a n-fotoni. Determinarea G n, m cu n Wm este posibilă numai în spectroscopia optică neliniară. experimente. În măsurătorile staționare, condiția de invarianță a corelatorului G n, m în timp necesită îndeplinirea legii conservării energiei:
unde w 6 sunt frecvențele armonicilor operatorilor, respectiv. În particular, G 2, l se regăsesc din imaginea spațială a interferenței interacțiunii cu trei valuri în procesul de anihilare a unuia și crearea a două canale (vezi Interacțiunea undelor luminoase). De corelatoare non-staționare, G 0.1 (x), care determină intensitatea câmpului cuantic, prezintă un interes deosebit. Cantitatea | G 0,1 (x) | 2 dă valoarea intensității câmpului numai în spec. , în special pentru domenii coerente. Una dintre cele mai multe. caracteristicile câmpului complete, determinate experimental, este o funcție a distribuției spațiu-timp a numărului de impulsuri p (n, T) - probabilitatea exact n fotootschotov în timp T. interval Această caracteristică cuprinde o informație ascunsă corelatori ordin arbitrar ridicat. Detecția informațiilor ascunse, în special determinarea distribuției intensității radiației de către sursă, este subiectul așa-numitei. Problema inversă a numărului de fotoni în câmpul cuantic. Numărătoarea fotonului este un experiment care are o natură fundamentală, cuantică, care se manifestă clar când intensitatea I a câmpului înregistrat nu fluctuează. Chiar și în acest caz, acțiunea lui provoacă o secvență aleatorie de fotoconturi cu distribuție Poisson
unde b este caracteristica sensibilității fotodetectorului, așa-numita. eficacitatea acesteia. Deoarece este cu adevărat imposibil să se determine complet starea câmpului, se presupune de obicei că rezultatele experimentelor mărturisesc beneficiul k-l. de la modelele de teren. Naib. distribuite între ele în K. sunt modele de radiații coerente, radiații termice. . Superpoziției și nek- alte diferențe caracteristice între domenii adesea manifestă deja în fluctuațiile intensității determinată de funcția de corelare normalizate: Valoare g (. X1, x2) tinde la 1 ca puncte de diversitate spațiu-timp x1 și x2. care corespunde statisticilor. independența fotografiilor în ele. La combinarea punctelor x1 = x2 = x diferență g (x. X) ale unității (g -1) caracterizează nivelul fluctuațiilor de intensitate a radiațiilor, și se manifestă în diferențele de numere de coincidente fotootschotov obținute prin înregistrarea simultană și independentă a celor două detectoare. Fluctuațiile intensității unui câmp cu un singur mod se caracterizează prin magnitudine
unde medierea este efectuată convenabil asupra stărilor | n> (vezi vectorul de stare) cu matricea de densitate
în care Pn este probabilitatea realizării modului câmpului într-o stare cu n fotoni. Pentru radiația termică, probabilitatea Pn este dată de statistica lui Bose-Einstein:
unde cf. numărul de fotoni în modul Acesta este un câmp puternic fluctuant pentru care g = 2. Acesta este caracterizat printr-un pozitiv. corelația g -1> 0 în înregistrarea simultană a doi fotoni. Astfel de cazuri de fluctuații de intensitate, atunci când g> 1, sunt numite. în K. gruparea fotonilor. Exemple de câmpuri cu zero corelație g -1 = 0 reprezintă câmpurile din așa-numitele. coerente. în care acest izolat special în K. o. Clasa de câmpuri cu intensitate nefluctuantă este generată, de exemplu, încărcarea încărcăturilor electrice clasice. Câmpuri coerente naib. pur și simplu descrise în așa-numitele. P (a) - reprezentarea lui Glauber (vezi Coerența cuantică)
unde
Expresia (**) poate fi considerată ca fiind corespunzătoare celei clasice. expresia pentru g. în care P (a) este privită ca o funcție a distribuției amplitudinilor complexe a unui clasic. câmp și pentru care întotdeauna P (a)> 0. Aceasta din urmă conduce la condiția g> 1, adică la posibilitatea în cazul clasic. câmpuri numai gruparea. Acest lucru se datorează faptului că fluctuațiile intensității sunt clasice. câmpurile provoacă simultan aceeași schimbare în fotografiile din ambele fotodetectoare. Câmpurile coerente, clasice și cuantice, sunt date de densitatea de probabilitate
bidimensional d-f-cation în planul complex a. Termică clasică. domenii sunt caracterizate prin pozitiv. f-tsiye (care descrie gruparea în ele). Pentru câmpurile cuantice, P (a) este o funcție reală, dar în domeniul finit al argumentului a poate fi negativă. adică, atunci reprezintă așa-numitul. densitatea cvasi-probabilității. Statistici de fotoconturi pentru câmpuri cu un număr exact dat N> 1 fotoni în modul Pn = dnN (dnN - Simbolul Kronecker) este în esență neclasic. Pentru această stare, g = 1 - 1 / N. care corespunde negativ. corelații: g -1 <0. Такие случаи наз. в К. о. антигруппировкой фотонов, к-рую можно объяснить тем, что поглощение фотона одним из детекторов уменьшает вероятность фотоотсчёта в другом. Эффект антигруппировки наблюдается и в свете, резонансно рассеянном одним атомом. В этом случае регистрируемые кванты спонтанно рождаются в среднем через определ. интервалы времени и вероятность одноврем. рождения двух квантов равна нулю, что и даёт нулевую вероятность их одноврем. регистрации. Группировка и антигруппировка фотонов могут быть совместным свойством одного поля и могут проявиться как то или другое в зависимости от времени задержки между регистрацией фотоотсчётов двумя детекторами в эксперименте счёта совпадений. Группировка и антигруппировка фотонов проявляются и в виде отличия формы распределения числа отсчётов от распределения Пуассона (*), свойственного когерентным полям. Группировка проявляется в тенденции к сгущению фотоотсчётов, антигруппировка - в более равномерном, чем пуассоновское, распределении во времени. Исследование статистич. квантовых свойств излучения, таких, как, напр. группировка и антигруппировка, представляет не только самостоят. интерес, но и позволяет определить особенности физ. процессов в веществе, взаимодействующем с излучением. В К. о. наиб. широко исследуется статистика рассеянного света; изучается влияние состояния поля на нелинейные, в частности многофотонные процессы . К. о. находит всё более широкую область применения. Так, напр. в связи с проектированием оптич. системы для регистрации гравитац. волн и постановкой т. н. невозмущающих оптич. экспериментов, в к-рых уровень флуктуации, в т. ч. квантовых, сводится к минимуму, внимание исследователей привлекают такие состояния поля, наз. "сжатыми", в к-рых флуктуации интересующей величины (подобной интенсивности или фазе идеально стабилизированного лазера) могут быть в принципе сведены до нуля. Лит.: Г л а у б е р Р. Оптическая когерентность и статистика фотонов, в кн. Квантовая оптика и квантовая радиофизика, пер. с англ. и франц. М. 1966; Клаудер Д ж. Сударшан Э. Основы квантовой оптики, пер. с англ. М. 1970; Перина Я. Когерентность света. пер. с англ. М. 1974; Спектроскопия оптического смешения и корреляция фотонов, под ред. Г, Камминса, Э. Пайка, пер. с англ. М. 1978; К л ы ш к о Д. Н. Фотоны и нелинейная оптика, М. 1980; Кросиньяни Б. Ди Порто П. Бертолотти М. Статистические свойства рассеянного света, пер. с англ. М. 1980. С. Г. Пржибельский.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: