Введение к работе
Актуальность темы
Одним из достижений квантовой оптики последних лет является генерация света в окатом состоянии. Под сжатым понимают свет, квантовые флуктащш одной из квадратур которого понижены ("сжаты") по сравнению с квантовыми флуктуациямн когерентного состояния света. Известно, что при фотоприеме когерентного состояния, являющегося идеализацией излучения одночастотных лазерных источников, квантовые флуктуации приводят к возникновению дробового шума фототока. Этот шум определяет стандартный квантовый предел чувствительности оптических измерений. Поэтому сжатый свет представляет для исследователей интерес тем, что позволяет преодолеть такой предел, н пршщн-п." гльные ограничения чувствительности, накладываемые оптическими шумами, могут быть в значительной мере сняты.
К сжатому свет тесно примыкает субпуассоновскпй свет, флуктуации числа фотонов которого понижены по сравнению с проявляющими пуассоновскую статистику флуктуацпями числа фотонов в когерентном состоянии. Субпуассоновскпй свет позволяет снпзить шумы фотоприема при прямом детектировании.
Впервые реализованное с непрерывном режиме з 1985 г., сжатие постепенно распространилось и на импульсные источіткп света. Термин "сжатие" был также расширен на поляризационные н пространственно-мнотомодолые состояния спета и на колебательные состояния молекул.
Для генерации сжатых состояшй необходимо использование эффек-1 тов нелинейного взаимодействия сьета со средой, что требует высоких
интенсивностей излучения. Фотопркем субнуассоноиского света налагает высокие требования на квантовую эффективность детектора и уровень шумов электронного тракта, а квадратурно-сжатый свет нараду с этим требует применения схемы оптического гомодинирования.
За последнее десятилетне были реализованы различные способы генерации сжатых н субпуассоновскпх состояний: использование эффекта ад-тпгрушшровкп фотонов в процессе резонавспой флуоресценции, сжатие в процессах параметрического усиления и генерации, четырехволноао-го смешения и генерации второй гармоники, получение субпуассоновской статистики на выходе полупроводниковых лазеров при стабилизации тока накачки.
Один из наилучших результатов но подавлению дробового шума фототока (-7 дБ) был получен группой Ямамото в экспериментах с опто-электронной петлей (Phys. Rev. А 33, 3243 (1986) ). Такая петля представляет собой источник света, часть излучения которого регистрируется фотодиодом и используется как управляющий сигнал в цепи отрицательной обратной свази по интенсивности. Подобное устройство получило распростраление для подавления технических шумов лазерных источников. В экспериментах Ямамото ставилась задача выяснить, возможно ли подавление, квантовых шумов спета в опто-электронной петле. Основной результат экспериментов Ямамото состоял в следующем: в то время как шум фототока в петле опускался па 7 дБ ниже дробового уровня, излучение, выведенное из петли светоделителем, обладало избыточным шумом. Это означает, что опто-зпектронвая петля не может быть использоьана в качестве источника субпуассоновского света.
Эти эксперименты стимулировали создание квантовой теорий источника света с обратной связью (Шапиро со соавторами, JOSA В 4, 1604 (1987) ). Расчет не только подтвердил качественно результаты Яма-
" 4.
»
'мото, но и дал рабочие формулы для уровней шума фотодетекторов, установленных как в петле обратной связи, так п в выведенном пучке. Однако следует отметить, что основной результат расчета Шапиро - выражение для шума тока фотодиода обратной связи - оказался в противоречии с традиционной квантовой теорией фотопрпема света Глаубера. Действительно, расчеты Шапиро с соавторами предсказывают, что по мерс увеличения силы обратим"! связи шум фототока может быть подавлен до сколь угодно малой величины, в то время как в- традиционной теории фотопрпема шум фототока не может быть сколь угодно малым и всегда больше величины так называемого предельного шума фотодетектора (1 — і;){Дг*)у, где {Дг'2)ч, - уровень дробовых флукту--' аций фототока. Такой предельный шум фотодетектора достигается при приеме идеального субпуассоповского света, у которого полностью отсутствуют флуктуации интенсивности (Д/2) = 0. Указанное противоречие между традиционной теорией фотопрпема и теорией источника света с обратной связью оказалось вне поля зрения авторов теоретических исследований оато-электронной петли. Это обстоятельство было связано с тем. что Ямамото с сотрудниками могли использовать лишь неглубокую обратную связь ц но преодолели предел,фотодетектора.
Такт! образом, к началу наших исследований опто-электрошюй петли с отрицательной обратной связью существовало явное противоречие между традиционной квантовой теорией фотопрпема и теоретическим предсказанием возможности сколь угодно малого шума фототока в петле. При этом отсутствовали эксперименты с петлей, где сила обратной связи была бы достаточно велика, чтобы проверить теоретические предсказания.В случае, осли шум фототока не подавляется ниже предельного даже щ>п достаточно большой величине силы обратной связи, теория Шапиро не работает и необходимо нозое теоретическое описание. В другом
случае^ еслп шум подавляется ниже предела фотодетектора, необходима новая концепция состояния света в петле, примиряющая теорию Шапиро с традиционной теорией фотодетектированпя.
Царяду с проблемой преодоления предельного шума фотодетектора в петле существует к другая проблема происхождения избыточного шума в выведенном пучке. Этот шум можно интерпретировать как ва: куумные флуктуации открытого входа светоделителя, усиленные опто-электроннои петлей и переданные в выходной пучок. Если такая интерпретация верна, то следует ожидать, что петля будет усиливать и регулярный световой сигнал, поданный на открытый вход светоделителя. Обнаружение подобного эффекта оптического усиления в опто-электроннои петле и характеризацпя его основных параметров (таких как коэффициент усиления, рабочая полоса частот, шумовая характеристика) могли бы сделать это устройство полезным для практики.
Вышеизложенные нерешенные проблемы источника с обратной связью позволяют сформулировать цель диссертационного исследования: экспериментальное изучение квантовых флуктуации света в опто-электронной петле с отрицательной обратной связью.
Задачи диссертационной работы
В задачу данной диссертационной работы входпло:
в Создать экспериментальную установку с опто-электроннои петлей, где сила обратной связи была бы достаточно велика для подавления шума фототока ниже предела фотодетектора.
в Измерить уровни шума фототока в онто-электронной петле и сопоставить их как с традиционной теорией фотопрпема, так п с предсказаниями теории опто-элсктронной петли Шапиро.
Исследовать возможность оптического усиления света, подаваемого на открытый вход светоделителя в петле.
Измерить основные 'параметры оптического усилителя на основе епто-электроипой петли.
Научная новизна диссертационной работы
Новизна данной работы обусловлена следующими факторами:
» эксперименты с опто-электропной петлей проводятся в неисследованной до спх пор области параметров, где неприменимы соотношения традиционной квантовой теории фотоприема;
о предлагается использовать данное устройство в хачестзе оптического усилителя, что открывает совершенно новую область его применений.
Практическая ценность работы
Практическая значимость выполненных исследований состоят в следующем: предложена иозая область применения опто-электронной петли в качестве оптического усилителя. Такой усилитель может Сыть использовал в режиме генерации когерентного излучения и служить преобразователем излучения лазерных источников.
Основные положения, выносимые на защиту:
» Экспериментальные результаты по подавлению шума фототока в ошо-хижтрочной петле пиже предела фотодетектора более, чем в 50 раз.
в Экспериментальные результаты наблюдения эффекта оптического усиления с помощью опто-электронной петли, демонстрирующие близость шумовых характеристик к случаю идеального фазо-нечувствительного усилителя.
Модель антикоррелированного состояния света в опто-электронной петле, количественно описывающая всю совокупность полученных экспериментальных данных.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на конференциях: Семинар по сжатым состояниям и соотношениям неопределенности (Балтимор, США, 1993), Международная конференция по нелинейным квантовым явлениям (Дубна, Россия, 1993), Семинар по квантовой оптике (Минск, Беларусь, 1994), Квантовая передача информация и измерения (Ноттингем, Англия, 1994), Квантовая оптика (Давос, Швейцария, 1994), Ро-честерская конференция по когерентной и квантовой оптике (Рочестер, США, 1995), Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике (Санкт-Петербург, Россия, 1995), Квантовая оптика а спектроскопия твердых тел (Билькент, Турция, 1995).
Публикации
Основные результаты диссертации были опубликованы в 4 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы