Диссертация (1145377), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Ìûïîêàçàëè, ÷òî äàííûå òðåáîâàíèÿ íå ïðîòèâîðå÷èâû. Ñòåïåíü ñæàòèÿ àìïëèòóäíîéêâàäðàòóðû îãðàíè÷èâàåòñÿ ñòåïåíüþ ðåãóëÿðíîñòè íàêà÷êè, à â ñëó÷àå ïîëíîñòüþðåãóëÿðíîé íàêà÷êè - ìîùíîñòüþ ñèíõðîíèçèðóþùåãî ïîëÿ.108Ãëàâà 4Ãëàâà 4Ïèêñåëüíûé èñòî÷íèêïðîñòðàíñòâåííî ìíîãîìîäîâîãîïåðåïóòàííîãî ñâåòà ýòîé ãëàâå ìû îáñóäèì ïðîñòðàíñòâåííî ìíîãîìîäîâûé èñòî÷íèê ñâåòà ñ íåêëàññè÷åñêîé ñòàòèñòèêîé èçëó÷åíèÿ, ñôîðìèðîâàííûé êàê ìàññèâ ïèêñåëîâ, êàæäûé èçêîòîðûõ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñóáïóàññîíîâñêèé ëàçåð èëè ïàðàìåòðè÷åñêèé ãåíåðàòîðñâåòà. Ìû îáñóäèì â äåòàëÿõ ðàçðàáîòàííûé íàìè ìåòîä äåòåêòèðîâàíèÿ ïðîñòðàíñòâåííî ìíîãîìîäîâîãî èçëó÷åíèÿ, ïîçâîëÿþùèé èçáåæàòü ñëîæíîñòåé ãîìîäèííîãîïðèåìà [G12, G13].Íàðÿäó ñ øèðîêîïîëîñíûìè èñòî÷íèêàìè êâàíòîâîãî ñâåòà, çàñëóæåííîå âíèìàíèå ïîëó÷èëà êîíöåïöèÿ ïðîñòðàíñòâåííî ìíîãîìîäîâîãî ñæàòîãî ñâåòà [121], äîêàçàâøàÿ ñâîþ ñîñòîÿòåëüíîñòü êàê â êâàíòîâîé îïòèêå, òàê è â êâàíòîâîé òåîðèè èíôîðìàöèè.
Èìåííî íà èñïîëüçîâàíèè ïðîñòðàíñòâåííî ìíîãîìîäîâîãî ñæàòîãî ñâåòàïîñòðîåíû ñõåìû êâàíòîâîé ãîëîãðàôè÷åñêîé òåëåïîðòàöèè [122], ôàíòîìíûõ èçîáðàæåíèé [123125], êâàíòîâîãî ïëîòíîãî êîäèðîâàíèÿ [G5].Íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûì ìåòîäîì èçìåðåíèÿ òàêîãî ñâåòà ÿâëÿåòñÿ ìåòîä ãîìîäèííîãî äåòåêòèðîâàíèÿ (ÃÄ) (â÷àñòíîñòè, áàëàíñíîãî ãîìîäèííîãî äåòåêòèðîâà-íèÿ).
Ýòîò ìåòîä ïîçâîëÿåò âûäåëÿòü ëþáóþ òðåáóåìóþ êâàäðàòóðíóþ êîìïîíåíòóÏèêñåëüíûé èñòî÷íèê109ïîëÿ ïîñðåäñòâîì âûáîðà ïîäõîäÿùåãî ëîêàëüíîãî îñöèëëÿòîðà [126, 127]. Îäíàêî,ñõåìà ÃÄ ñòàíîâèòñÿ òðóäíî îñóùåñòâèìîé ïðàêòè÷åñêè â êâàíòîâûõ çàäà÷àõ îïòè÷åñêèõ èçîáðàæåíèé, ïîñêîëüêó òðåáóåò ñîçäàíèÿ íåòðèâèàëüíûõ ïðîñòðàíñòâåííûõïðîôèëåé ëîêàëüíîãî îñöèëëÿòîðà (èìåííî ñìåøåíèå ñ ïîëåì "ïðàâèëüíîé" ôîðìû ïîçâîëÿåò óìåíüøèòü øóìû íèæå êâàíòîâîãî ïðåäåëà). Çäåñü ìû ïðåäëîæèììåòîä äåòåêòèðîâàíèÿ ïðîñòðàíñòâåííî-ìíîãîìîäîâîãî ñâåòà, ïîçâîëÿþùèé îáîéòèòðóäíîñòè, âîçíèêàþùèå â ãîìîäèííîì ïðèåìå, è ïðèìåíèìûé äëÿ øèðîêîãî êëàññàçàäà÷ êâàíòîâîé îïòèêè.Ìû ðàññìîòðèì äâå èçìåðèòåëüíûõ ñõåìû: ñ îäèíî÷íûì êîãåðåíòíûì èñòî÷íèêîìñæàòîãî ñâåòà è ñ äâóìÿ èñòî÷íèêàìè.
(Ìû áóäåì ãîâîðèòü î êîãåðåíòíîñòè ñâåòà âñìûñëå íàëè÷èÿ áîëüøîé êîãåðåíòíîé ñîñòàâëÿþùåé àìïëèòóäû, ïðè ýòîì õàðàêòåðôëóêòóàöèé áóäåò îïðåäåëåí îñîáî.)  îáîèõ ñëó÷àÿõ èçìåðåíèå áóäåò ïðîèçâîäèòüñÿâ äàëüíåé çîíå. Âî âòîðîé ñõåìå äâà ëó÷à áóäóò ñìåøèâàòüñÿ íà ñâåòîäåëèòåëüíîéïëàñòèíå. Òàêèì îáðàçîì, â ïåðâîé ñõåìå ìû áóäåì îïåðèðîâàòü ñæàòûì ñâåòîì, à âîâòîðîé - ïåðåïóòàííûì. Ìû ïîêàæåì, ÷òî îáå ñõåìû ïîçâîëÿþò îñóùåñòâèòü âûäåëåíèå êâàäðàòóð ïîëÿ áåç ãîìîäèíèðîâàíèÿ. Ìû áóäåì îñíîâûâàòü íàøå èññëåäîâàíèåíà ìåòîäàõ èçìåðåíèÿ êâàíòîâûõ ñâîéñòâ ñâåòîâûõ ïîëåé â äàëüíåé çîíå, èçëîæåííûõ â ðàáîòàõ [123125, 128, 129].
Ïðèíöèïèàëüíî âàæíûì ýëåìåíòîì ïðåäëàãàåìîãîíàìè ïîäõîäà ÿâëÿåòñÿ èñïîëüçîâàíèå êîãåðåíòíûõ èñòî÷íèêîâ ñâåòà, òàêèõ êàê ëàçåðû ñ çàõâàòîì ôàçû èëè ïàðàìåòðè÷åñêèõ ãåíåðàòîðîâ ñâåòà, ðàáîòàþùèõ â íàäïîðîãîâîì ðåæèìå. Íà îñíîâå òàêèõ èñòî÷íèêîâ áóäåò ñêîíñòðóèðîâàí ïèêñåëüíûéèñòî÷íèê [130, 131], îáëàäàþùèé èíòåðåñíûìè êâàíòîâûìè îñîáåííîñòÿìè.110Ãëàâà 4Ðèñ. 4.1: Ñõåìà ïðÿìîãî äåòåêòèðîâàíèÿ ñæàòîãî ñâåòà â äàëüíåé çîíå ñ îäèíî÷íûìêîãåðåíòíûì èñòî÷íèêîì. Îáîçíà÷åíèÿ íà ðèñóíêå: f - ôîêóñíîå ðàññòîÿíèå.4.1Ïðÿìîå èçìåðåíèå êâàäðàòóðíûõ êîìïîíåíò ïîëÿ â äàëüíåé çîíå4.1.1 Ñõåìà ñ îäèíî÷íûì èñòî÷íèêîì ÿðêîãî êîãåðåíòíîãî ñâåòàÏîñêîëüêó îñíîâíîé èíòåðåñ íàøåãî èññëåäîâàíèÿ ëåæèò â îáëàñòè êâàíòîâîé îïòèêè, ìû áóäåì ãîâîðèòü îá èñòî÷íèêàõ ñæàòîãî è ïåðåïóòàííîãî ñâåòà. Îäíàêî,ïðåäñòàâëåííàÿ çäåñü òåîðèÿ ñïðàâåäëèâà äëÿ ïîëåé â ëþáîì êâàíòîâîì ñîñòîÿíèè,à òàêæå äëÿ êëàññè÷åñêèõ ïîëåé.Ðàññìîòðèì äâå ôèçè÷åñêèå ñèòóàöèè, ïðåäñòàâëåííûå ñõåìàòè÷åñêè íà ðèñ.
4.1 èðèñ.7.13.  ïåðâîé ñõåìå ìû áóäåì ñëåäèòü çà ÷åòíîé è íå÷åòíîé ñîñòàâëÿþùèìè ôîòîòîêà ïðè äåòåêòèðîâàíèè ëó÷à ñâåòà ñ ïðîèçâîëüíûì ïîïåðå÷íûì ðàñïðåäåëåíèåìèíòåíñèâíîñòè. Âî âòîðîé ñõåìå òîò æå ïîäõîä áóäåò ïðèìåíåí äëÿ èññëåäîâàíèÿ âáîëåå ñëîæíîé êîíôèãóðàöèè ñ äâóìÿ ëó÷àìè, ãåíåðèðóåìûìè äâóìÿ ñòàòèñòè÷åñêèíåçàâèñèìûìè èñòî÷íèêàìè. Òàêàÿ ñõåìà ïîçâîëÿåò îðãàíèçîâàòü ïåðåïóòûâàíèå ëó÷åé, åñëè èñõîäíî èõ êâàäðàòóðû ñæàòû âî âçàèìíî-îðòîãîíàëüíûõ íàïðàâëåíèÿõ.Ñäåëàåì ñëåäóþùèå ïðåäïîëîæåíèÿ îòíîñèòåëüíî èñòî÷íèêîâ ñæàòîãî ñâåòà.
Ïðåæäå âñåãî, ýòî äîëæíû áûòü èñòî÷íèêè êîãåðåíòíîãî (êëàññè÷åñêîãî èëè íåêëàññè÷åñêîãî) ÿðêîãî ñâåòà. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî ãàéçåíáåðãîâó àìïëèòóäó ÊN (⃗r, t) ìîæíîÏèêñåëüíûé èñòî÷íèê111Ðèñ. 4.2: Ñõåìà ïðÿìîãî äåòåêòèðîâàíèÿ ïåðåïóòàííûõ ëó÷åé ñâåòà â äàëüíåé çîíå ñäâóìÿ êîãåðåíòíûìè èñòî÷íèêàìè. Îáîçíà÷åíèÿ íà ðèñóíêå: BS - ñâåòîäåëèòåëüíàÿïëàñòèíà, f - ôîêóñíîå ðàññòîÿíèå.ïðåäñòîâèòü â âèäå:ÊN (⃗r, t) = ⟨ÊN (⃗r)⟩ + δ ÊN (⃗r, t),⟨ÊN (⃗r)⟩ ≫ δ ÊN (⃗r, t).(4.1)Çäåñü è äàëåå íèæíèé èíäåêñ N (F ) èñïîëüçóåòñÿ äëÿ óêàçàíèÿ íà áëèæíþþ (äàëüíþþ) çîíó. Ìû áóäåì ðàññìàòðèâàòü òîëüêî ñòàöèîíàðíûå ñâåòîâûå ïîòîêè, à çíà÷èòïåðâîå ñëàãàåìîå íå çàâèñèò îò âðåìåíè t.Ëó÷ ñâåòà íà âûõîäå èç èñòî÷íèêà îïèñûâàåòñÿ ãàéçåíáåðãîâîé àìïëèòóäîé ÊN (⃗r, t). ñîîòâåòñòâèè ñ ïðåäñòàâëåíèåì (4.1), êâàíòîâîå ñîñòîÿíèå ñâåòà â ïåðâîì ïðèáëèæåíèè ìîæíî ñ÷èòàòü êîãåðåíòíûì, ïîëàãàÿ, ÷òî ñðåäíÿÿ àìïëèòóäà ⟨ÊN (⃗r, t)⟩ íåðàâíà íóëþ.
Áîëüøèé èíòåðåñ äëÿ íàñ ïðåäñòàâëÿþò ôëóêòóàöèè δ ÊN (⃗r, t). Èìåííîîò íèõ çàâèñèò, áóäåò ëè ñòàòèñòèêà ñâåòà êëàññè÷åñêîé èëè íå êëàññè÷åñêîé. Ïîêà ìû íå áóäåì îïðåäåëÿòü èõ ñâîéñòâà, îñòàâëÿÿ êâàíòîâîå ñîñòîÿíèå íå âïîëíåîïðåäåëåííûì, ÷òî ïîçâîëèò íàì ïîñòðîèòü òåîðèþ â îáùåì âèäå. ïðèáëèæåíèè êâàçè-ìîíîõðîìàòè÷åñêîé êâàçè-ïëîñêîé áåãóùåé âîëíû, ïîëåìîæíî ïðåäñòàâèòü â âèäå:√ÊN (z, ρ⃗, t) = ih̄ω0 ik0 z − iω0 teŜN (⃗ρ, t).2ε0 c(4.2)112Ãëàâà 4Îïåðàòîð ŜN (⃗ρ, t) îòâå÷àåò àìïëèòóäå ïîëÿ, íîðìèðîâàííîé òàêèì îáðàçîì, ÷òî ñðåäíåå çíà÷åíèå ⟨Ŝ † Ŝ⟩ èìååò ñìûñë ïëîòíîñòè ïîòîêà ôîòîíîâ â ñåê ÷åðåç ñì2 .
Ïðè ðàñïðîñòðàíåíèè â ñâîáîäíîì ïðîñòðàíñòâå ýòà àìïëèòóäà ïîä÷èíÿåòñÿ êàíîíè÷åñêèìïåðåñòàíîâî÷íûì ñîîòíîøåíèÿì:[†ŜN (⃗ρ, t), ŜN(⃗ρ′ , t′ )]′′= δ (⃗ρ − ρ⃗ ) δ(t − t ),2[]ŜN (⃗ρ, t), ŜN (⃗ρ , t ) = 0. (4.3)′′Ìû áóäåì ïîëàãàòü, ÷òî èñòî÷íèêè ñâåòà îáëàäàþò öèëèíäðè÷åñêîé ñèììåòðèåé, òîåñòü,⟨ŜN (⃗ρ)⟩ = ⟨ŜN (−⃗ρ)⟩.(4.4) ñõåìå, èçîáðàæåííîé íà ðèñ. 4.1, ëèíçà ðàñïîëîæåíà òàê, ÷òî èñòî÷íèêîì ñâåòà èïëîñêîñòü äåòåêòèðîâàíèÿ, íàõîäÿòñÿ â åå ãëàâíûõ ôîêóñàõ. Òîãäà ïîëå ïåðåä ôîòîäåòåêòîðîì ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê ïîëå â äàëüíåé çîíå. Îáîçíà÷èì ñîîòâåòñòâóþùóþ íîðìèðîâàííóþ àìïëèòóäó ŜF (⃗ρ, t). Ïîëÿ â äàëüíåé è áëèæíåé çîíàõ ñâÿçàíûèíòåãðàëüíûì ïðåîáðàçîâàíèåì (ñì., íàïðèìåð, [123]):∫2πii⃗ ρ′⃗ t),d2 ρ′ ŜN (⃗ρ′ , t) e−iQ⃗=−ŝN (Q,ŜF (⃗ρ, t) = −λfλf⃗ = 2π ρ⃗, (4.5)Qλf⃗ t) - ýòî ôóðüå-îáðàç ôóíêöèè ŜN (⃗ãäå ŝN (Q,ρ, t).
Çäåñü è äàëåå â ýòîé ãëàâå ìû áóäåì îáîçíà÷àòü çàãëàâíûìè áóêâàìè ïåðåìåííûå â êîîðäèíàòíîì ïðîñòðàíñòâå, à èõôóðüå-îáðàçû - ñîîòâåòñòâóþùèìè ïðîïèñíûìè áóêâàìè, ò.å.,∫∫112−i⃗qρ⃗d ρ G(⃗ρ) eandG(⃗ρ) =d2 q g(⃗q) ei⃗qρ⃗ .g(⃗q) =2π2π(4.6)Î÷åâèäíî, äëÿ àìïëèòóä ŜN (⃗ρ, t) è ŜF (⃗ρ, t) äîëæíû âûïîëíÿòüñÿ ñîîòíîøåíèÿ, àíàëîãè÷íûå ôîðìóëå (4.1).Êîãäà â áëèæíåé çîíå ïðèìåíÿåòñÿ ñõåìà áàëàíñíîãî ÃÄ (ñì. ðèñ. 3) îïåðàòîðôëóêòóàöèé ôîòîòîêà δ î = î − ⟨îN ⟩ èìååò âèä:†δ îN (⃗ρ, t) = β ∗ (⃗ρ) δ ŜN (⃗ρ, t) + β(⃗ρ) δ ŜN(⃗ρ, t),(4.7)Ïèêñåëüíûé èñòî÷íèê113Ðèñ. 4.3: Áàëàíñíîå ãîìîäèííîå äåòåêòèðîâàíèå.ãäå β - êîìïëåêñíàÿ àìïëèòóäà ëîêàëüíîãî îñöèëëÿòîðà.
Ïîíÿòíî, ÷òî âàðüèðóÿ ôàçó β ìû ìîæåì ñëåäèòü çà ëþáîé èç êâàäðàòóð èíòåðåñóþùåãî íàñ ñèãíàëà. Ýòîòðåçóëüòàò õîðîøî èçâåñòåí è íå òðåáóåò äàëüíåéøåãî ïîÿñíåíèÿ. Ñðàâíèì åãî ñ ðåçóëüòàòîì ïðÿìîãî èçìåðåíèÿ ôëóêòóàöèé ôîòîòîêà â áëèæíåé çîíå. Ïðåäïîëàãàÿäëÿ ïðîñòîòû åäèíè÷íóþ ýôôåêòèâíîñòü ðàáîòû äåòåêòîðîâ, â îòñóòñòâèè àïïàðàòíûõ ïîòåðü, îïåðàòîð ôîòîòîêà çàïèñûâàåòñÿ â ôîðìå†îN (⃗ρ, t) = ŜN(⃗ρ, t)ŜN (⃗ρ, t).(4.8)Òîãäà, â ñëó÷àå êîãåðåíòíîãî èçëó÷åíèÿ, äëÿ ôëóêòóàöèé ôîòîòîêà ïîëó÷èì:†δ îN (⃗ρ, t) = ⟨ŜN (⃗ρ, t)⟩∗ δ ŜN (⃗ρ, t) + ⟨ŜN (⃗ρ, t)⟩ δ ŜN(⃗ρ, t).(4.9)Çäåñü ìû ñîõðàíèëè ëèøü ÷ëåíû ïåðâîãî ïîðÿäêà ìàëîñòè è îòáðîñèëè êâàäðàòè÷†íûé ÷ëåí δ ŜN(⃗ρ, t)δ ŜN (⃗ρ, t) êàê ïðåíåáðåæèìî ìàëûé.
Ïîëó÷åííàÿ ôîðìóëà ïî âèäóíàïîìèíàåò âûðàæåíèå (7.15). Îäíàêî, âèäíî, ÷òî â äàííîì ñëó÷àå ìû òåðÿåì âîçìîæíîñòü êîíòðîëèðîâàòü, êàêóþ èç êâàäðàòóð èçìåðÿòü. Àìïëèòóäà ⟨ŜN (⃗ρ, t)⟩ èãðàåò ðîëü ëîêàëüíîãî îñöèëëÿòîðà, íî èçìåðÿåòñÿ òàêèì îñöèëëÿòîðîì âñåãäà òîëüêîàìïëèòóäíàÿ êâàäðàòóðà. îòëè÷èå îò ýòîãî, åñëè èçìåðåíèå ïðîâîäèòñÿ â äàëüíåé çîíå, ìû ñíîâà ïðèîáðåòàåì âîçìîæíîñòü âûáîðà èçìåðÿåìîé êâàäðàòóðíîé êîìïîíåíòû ïîëÿ - ôàçîâîé èëè114Ãëàâà 4àìïëèòóäíîé.  ñàìîì äåëå, ôëóêòóàöèè ôîòîòîêà ïðè äåòåêòèðîâàíèè â äàëüíåéçîíå èìåþò âèä:δ îF (⃗ρ, t) = ⟨ŜF (⃗ρ)⟩∗ δ ŜF (⃗ρ, t) + ⟨ŜF (⃗ρ)⟩ δ ŜF† (⃗ρ, t).Ïîäñòàâëÿÿ (7.132), ïîëó÷èì( )2 []2π† ⃗∗⃗⃗⃗δ îF (⃗ρ, t) =⟨ŝN (Q)⟩ δŝN (Q, t) + ⟨ŝN (Q)⟩δŝN (Q, t) .λf(4.10)(4.11)×òîáû óïðîñòèòü ìàòåìàòè÷åñêèå ïðåîáðàçîâàíèÿ ïîëîæèì ⟨ŜN (⃗ρ, t)⟩ = ⟨ŜN (⃗ρ, t)⟩∗ .Òîãäà, ïðèíèìàÿ âî âíèìàíèå öèëèíäðè÷åñêóþ ñèììåòðèþ èñòî÷íèêà (7.131), ìîæåì⃗ t)⟩ = ⟨ŝN (Q,⃗ t)⟩∗ , òî åñòü,çàïèñàòü ⟨ŝN (Q,( )2[]2π⃗⃗δ îF (⃗ρ, t) =⟨ŝN (Q)⟩ δŝN (Q, t) + h.c.
.λf(4.12)Îïðåäåëèì êâàäðàòóðíûå êîìïîíåíòû ïîëÿ â áëèæíåé çîíå X̂N (⃗ρ, t) è ŶN (⃗ρ, t):ŜN (⃗ρ, t) = X̂N (⃗ρ, t) + i ŶN (⃗ρ, t)(4.13)è, ñîîòâåòñòâåííî, â ôóðüå-ïðîñòðàíñòâå:⃗ t) = x̂N (Q,⃗ t) + i ŷN (Q,⃗ t)ŝN (Q,(4.14)Òîãäà, â ïðåäïîëîæåíèè âåùåñòâåííîñòè ïîëåé,⃗ = ⟨ŝN (Q)⟩⃗ ∗ = ⟨x̂N (Q,⃗ t)⟩,⟨ŝN (Q)⟩(4.15)Âèäíî, ÷òî â ýòîì ñëó÷àå â âûðàæåíèå äëÿ ôîòîòîêà (7.138) äàþò âêëàä îáå êâàäðàòóðû, è âêëàä îäíîé íå îòäåëèì îò âêëàäà äðóãîé. Òàêîå èçìåðåíèå íåïðèåìëåìîäëÿ àíàëèçà êâàäðàòóð.Äàâàéòå òåïåðü èçìåíèì ïðîöåäóðó äåòåêòèðîâàíèÿ, ïåðåéäÿ îò èçìåðåíèÿ âñåãîôîòîòîêà ê àíàëèçó åãî ÷åòíîé è íå÷åòíîé ÷àñòåé ïî-îòäåëüíîñòè.
×åòíàÿ (íå÷åòíàÿ)÷àñòü ïðîïîðöèîíàëüíà ñóììå (ðàçíîñòè) ôîòîòîêîâ:δ î± (⃗ρ, t) = δ îF (⃗ρ, t) ± δ îF (−⃗ρ, t).(4.16)Ïèêñåëüíûé èñòî÷íèê115Òîãäà íå òðóäíî ïîëó÷èòü(δ î+ (⃗ρ, t) = 2(δ î− (⃗ρ, t) = 22πλf2πλf)2)2[]⃗⃗ t) + h.c. ,⟨x̂N (Q)⟩δx̂N (Q,(4.17)[]⃗ i δ ŷN (Q,⃗ t) − h.c. .⟨x̂N (Q)⟩(4.18)Êàê âèäèì, äàííàÿ èçìåðèòåëüíàÿ ïðîöåäóðà îïÿòü, êàê è ÃÄ, îáåñïå÷èâàåò íàìâîçìîæíîñòü âûáîðà èçìåðÿåìîé êâàäðàòóðû ïîëÿ.