Введение к работе
Актуальность теки диссертации. В результате создания лазеров в pyitaz у оптиков, интересующихся фундаментальними вопросами физики, появился инструмент для проверки общих квантовых закономерностей на примере разноооразных взаимодействий света и вещества.
Тем самым онли стимулированы, во-первых', развитие теоретических методов квантовой оптики, куда оыли перенесены многие достижения квантовой теории поля и неравновесной статистической теории, и, во- вторых, постановка все оолее тонких оптических экспериментов. В этих экспериментах наблюдались статистические свойства световых полей, не согласующиеся с классическим или полуклассичвским описанием процесеоз в источниках света или даке принципиально противоречаще представлений о свете как о классических электромагнитных волнах.
В середине 80х годов оыл реализован суопуассоновский лазер и наолэдались сяатые состояния света в опытах с парами Ка, оптическим волокном и нелинейными, кристаллами /25-27/. Эти;.! были ' подкреплены надежды на практическое использование неклассических световых полей. Было выяснено, что сеєт в неклассическом состоянии мокет обладать, как и обычное лазерное излучение, высокой яркостью, направленностью и когерентностью, ко при этом иметь принципиально более низкий уровень естественных флуктуации амплитуды или фазы. Обоснованно онидается, что некласический свет будет использован в точных и чувствительных оптических измерениях, а такхе для целей оптической передачи и обработки информации, где особый интерес, по нашему мнению, представляет характерная для оптккя возможность параллельной передачи и обработки.
Цальэ работы является предложение и теоретическое описание новых источников неклассических световых полей, выявление новых квантово-статистических свойств сеотовых волн с подавленными естественными флуктуациями, а также изучение возможггстеи, которые открываются для точных и чувствительных оптических измерений и методов оптической обработки информации при использовании неклассических световых полей.
Научная новизна работа заключается в том, что в ней проведены теоретические исследования в очерченной выие области и установлены новые возможности получения и использования неклас-
сических световых полей (часть из которых подтверждена на практике), в том числе:
-
Впервые показано, что один из источников естественных флуктуации излучения лазеров, именно - источник, порождаемый дробовым цуассоновским шумом возбуждения активной среда, может онть устранен при соответствующем выооре схемы активной среды лазера и спосооа накачки.
-
Найдено, что излучение лазера с подавленными дройовыми флуктуациями возбуждения активной среды является в оптимальных физических условиях квантовым полем (суопуассоновский лазер). В волне излучения такого лазера проявляются неклассические эффекты антигруппировки и суОпуассоновской статистики фотонов.
Важной для практики осооенностью излучения субпуассоновско-го лазера является возможность глуоокого подавления естественных флуктуации интенсивности света, оно проявляется при эффективном фотоприеме как подавление дрооового шума фотоотсчетов на низких частотах.
3. Изучено воздействие на флуктуации излучения суопуассоно-
вского лазера таких обычно применяемых в лазерной физике спосо
бов управления световыми потоками, как усиление и оптическое
смешение. При этом найдено, что линейное усиление разрушает
суопуассоновскую статистику лазерной волны и вносит избыточные
флуктуации. Кеклассические особенности процесса фотоприэма суо-
пуассоновсксЯ лазерной волны (провалы под дробовый уровень в
спектральной мощности шума фототока) исчезают при линейном фазо-
вонечувствительном усилении более чем в два раза по мощности.
Напротив, при оптическом смешении согласованных по фазе суопуассоновских лазерных волн на управляемом извне интерференционном устройстве, промоделированные вторичные волны также могут обладать подавленными флуктуациями интенсивности.
4. Впервые показано, что при фотоприеме пространстЕенно-
многомодовых сжатых состояний света может наблюдаться глубокое
снижение дробовых флуктуации фотоотсчетов не только во времени
(в интегральном по поверхности наблюдения фототоке), но и в
пространстве. По сравнению с известным из теории и эксперимента
одномерным (т.е. только во времени) подавлением флуктуации фото-
приема, при наблюдении трехмерного пространственно- временного
сжатия точки фотоотсчетов в поперечном сечении луча света могут
располагаться более регулярно.
5. Установлены пространственно-временные и спектральные
масштабы трехмерного подавления флуктуации фотоотсчетов. Найде
но, как изменяются квантово-статистические свойства пространст
венно-временных сжатых состояний при свободном распространении и
при прохождении простейших оптических систем (тонкая линза). При
этом выяснено, что с помощью тонкой линзы характерная площадь
малошумящего сбора фотонов может быть восстановлена до значения,
предельного для данного источника "сжатого" света.
На этой основе:
-предложен метод создания малошумящих оптических изображений и, что эквивалентно, двумерных динамических массивов информации при оптическом смешении световых волн в сжатом состоянии;
-найдены и исследованы способы проведения малошумящих элли-псометрических измерений с разрешением в пространстве.
6. С помощью квантово-электродинамических расчетов установ
лены проявления квантовой природы взаимодействия света с вещест
вом в ряде спонтанных излучательных процессов. Исследованы не
описываемые классической электродинамикой особенности в спектре
флуктуации интенсивности спонтанного излучения. Теоретически
обосновано резкое возрастание вероятности двухфотонного поглоще
ния света, излученного при двухфотоннсм спонтанном распаде мета-
стабильного уровня одиночного атома или иона, которое связано с
неклассической по своей природе острой корреляцией во времени
актов испускания пары световых квантов. Указано на простую воз
можность существенно менять скорость спонтанного распада в ато
ме, помещенном между близко расположенными отражающими плоскос
тями, расстояние между которыми возмущается на малую долю длины
волны света.
Научная и практическая ценность работы состоит в том, что в ней предложен и теоретически оооснован новый (в смысле предельно достижимых шумовых характеристик) вид лазера: субпуассоновский лазер с нешумящим возбуждением.
С точки зрения принципиальной новизны, для описания субпу-ассоновского лазера оказываются неприменимыми полуклассические представления, по которым излучению предельно стабильной лазерной системы, генерирующей в оптимальных условиях при высоком провішений некачки над порогом, можно с хорошей точностью сопоставить классическую электрсмагнитеую волну с постоянной амплитудой. Возникает связанная с сущ отвом явления'необходимость прив-
лечь квантовые представления о свете и использоеэть квантовую теорию лазера, модифицированную для учета нешумящего возбуждения, что и сделано в роботе.
Перспективы приложений субпуассоновского лазера определяются возможностями подавления фотонного (дробового) шума фотоприема в точных и чувствительных оптических измерениях, а также при оптической передаче информации, например - по волоконным линиям связи. Реально осуществленный полупроводниковый суОпуасооновский лазер с нешумядим возбуждением обладает остаточными флуктуациями интенсивности, которые составляют 0,04 для потока фотонов и 0,17 для фотоэлектронов от пуассоновского уровня (имеется ь виду спектральная мощность шума в полосе частот шириной в несколько сотен мегагерц) /28/.
Научные и практические возможности, вытекавшие из предсказанного в работе трехмерного подавления фотонных шумов в "сжатом" свете определяются двумя обстоятельствами.
Во-первых, возможности обсуждавшихся ранее в литературе и реализованных в эксперименте малошумящих оптических измерений и сдасоОов оптической передачи информации, основанных на применении сжатых состояний света, дополняются пространственным разрешением. Іконно такое обобщение содержится в предлагаемых методе получения малошумяшдх оптических изображений и способе проведения малошумящих эллипсометрических измерений с разрешением в пространстве.
И, во-вторых, в круг оптических явлений, для которых можно обсуждать подавление естественных флуктуации при наблюдении в "скатом" свете, включаются те явления, в которых определявдую роль игрчэт трехмерное волновое распространение излучения, дифракция, интерференция и др. Возникают новые интересные для дальнейшего исследования проблемы, такие, как вопрос о возможности подавления естественных флуктуации наблюдения в голографии и Фурье-оптике.
На защиту выносятся:
I. Предсказание явления субпуассоновской генерации и снижения шумов фотоприема для лазера с подавленными дробовыми флуэту-ациями возбуждения.
Модификация квантовой теории флуктуации излучения лазера, направленная на корректное описание статистики накачки в методе квантового кинетического уравнения.
5 Теоретический анализ статистики субпуассоновского лазерного излучения при его линейном усилении и при оптическом смешении, 8 также физические выоды: значительное лшейное усиление вносит избыточные флуктуации, оптическое смешение позволяет Оез внесения шумов модулировать потоки излучения суопуассоновских лазеров.
2. ІТредсказание явления трехмерного (во времени и ь попе
речном сечении луча) подавления фотонных шумов при оптическом
гомодинировании и фотоприеме пространстБенно-многомодоБНХ сжатых
состояний света
Выяснение на основе квантово-электродинамичлеких расчетов спектральных и пространственно-временных масштабов подавления шумов, в том числе с учетом свободного распространения и фокусировки света в сжатом состоянии.
Метод получения' малошумящих оптических изображений в "сжатом" свете, а также способ проведения малошумящих эллидсометри-ческих измерений в условиях сильной модуляции и с пространственным разрешением (теоретическое обоснование).
3. Квантово-электроданамичэская теория неклассических
явления в спонтанних излучателъных процессах:
-при наблюдении спектра флуктуации интенсивности спонтанного излучения;
-в двухфотонном поглощении света, излученного при двухфо-тонном спонтанном распаде метастабильного уровня одиночного атома или иона;
-при спонтанном распаде в резонаторе.
Апробация работы и публикации
Результаты диссертации докладывались на ХП, ХШ и XIY Международных конференциях по когерентной и нелинейной оптике (Москва, 1985; Минск, IS88; С.-Петербург, 1991), на П Всесоюзном совещании "Квантовая метрология и фундаментальные физические константа" (Ленинград, 1985), на Всесоюзных семинарах по квантовой оптике (Минск, I96fi, 1988 и IS90), на Международных семинарах "Проблемы квантовой оптики" (Дубна, 1987, 1988, 1991, 1993), но Международных семинарах по сжатым и коррелированным состояниям (Москва, 1990 и 1992), на ЇШ и IX Всесоюзных симпозиумах по спектроскопии высокого разрешения (Красноярск, IS37; Якутск, 1939), на расширенном заседании секции научного совета АН СССР "Лазерные лшинофоры" (Звенигород, 1989), на Всесоюзной и Между-
народной конференциях "Оптика лазеров" (С.-Петербург, 1990 и 1993). на YI Международной школе "Лазеры - физика и приложения" (Варна, 1990), на Европейской исследовательской конференции го квантовой оптике (Давос, 1992), а также обсуждались на научных семинарах отделов и групп Государственного оптического института им.Вавилова (С.-Петербург), Физико-технического института им.Иоффе (С.-Петербург), Института спектроскопии FAH (Москва), Института атомной энергии им.Курчатова (Москва), Института прикладной физики (Нижний Новгород), Института лазерной физики Гамбургского университета, Лаборатории герцевской спектроскопии (Париж).
Основное содержание диссертации опубликовано в 21 научной статье в отечественных и зарубежных журналах, а также в трудах и тезисах конференций.
Похожие диссертации на Генерация неклассических световых полей и их использование в точных и чувствительных оптических измерениях
