Расщепитель луча

Оптическое устройство, разделяющее луч света на две части.

Схематическое изображение светоделительного куба.
1 — падающий свет
2 — 50% прошедшего света
3 — 50% отраженного света
На практике отражающий слой поглощает часть света.

Расщепители луча

Светоделитель или светоделитель — оптическое устройство , которое разделяет луч света на прошедший и отраженный луч. Это важная часть многих оптических экспериментальных и измерительных систем, таких как интерферометры , также находящих широкое применение в волоконно-оптических телекоммуникациях .

Дизайны

В своей наиболее распространенной форме, кубе, светоделитель изготавливается из двух треугольных стеклянных призм , которые склеиваются у основания с помощью полиэфирных, эпоксидных или уретановых клеев. (До этих синтетических смол использовались натуральные, например, канадский бальзам .) Толщина слоя смолы регулируется таким образом, что (для определенной длины волны ) половина света, падающего через один «порт» (т. е. грань куба), отражается , а другая половина передается за счет FTIR (нарушенного полного внутреннего отражения) . Поляризационные светоделители , такие как призма Волластона , используют двулучепреломляющие материалы для разделения света на два луча с ортогональными состояниями поляризации .

Светоделитель с алюминиевым покрытием.

Другая конструкция — использование полупосеребренного зеркала. Оно состоит из оптической подложки, которая часто представляет собой лист стекла или пластика, с частично прозрачным тонким слоем металла. Тонкое покрытие может быть алюминием, осажденным из паров алюминия с использованием метода физического осаждения из паровой фазы . Толщина покрытия контролируется таким образом, чтобы часть (обычно половина) света, падающего под углом 45 градусов и не поглощаемого покрытием или материалом подложки, передавалась, а остальная часть отражалась. Очень тонкое полупосеребренное зеркало, используемое в фотографии , часто называют пленочным зеркалом . Чтобы уменьшить потерю света из-за поглощения отражающим покрытием, использовались так называемые « швейцарские сырные » светоделительные зеркала. Первоначально это были листы тщательно отполированного металла с отверстиями для получения желаемого соотношения отражения к пропусканию. Позже металл напылялся на стекло таким образом, чтобы образовать прерывистое покрытие, или небольшие участки сплошного покрытия удалялись химическим или механическим воздействием, чтобы получить буквально «полупосеребренную» поверхность.

Вместо металлического покрытия может использоваться дихроичное оптическое покрытие . В зависимости от его характеристик ( тонкопленочная интерференция ), отношение отражения к пропусканию будет меняться в зависимости от длины волны падающего света. Дихроичные зеркала используются в некоторых эллипсоидальных рефлекторных прожекторах для отделения нежелательного инфракрасного (теплового) излучения, а также в качестве выходных соединителей в лазерных конструкциях .

Третья версия светоделителя представляет собой дихроичную зеркальную призменную сборку, которая использует дихроичные оптические покрытия для разделения входящего светового луча на ряд спектрально различных выходных лучей. Такое устройство использовалось в цветных телевизионных камерах с тремя приемными трубками и трехполосной кинокамере Technicolor . В настоящее время оно используется в современных трех-ПЗС-камерах. Оптически похожая система используется в обратном порядке в качестве сумматора лучей в трех- ЖК- проекторах , в которых свет от трех отдельных монохромных ЖК-дисплеев объединяется в одно полноцветное изображение для проецирования.

Расщепители луча с одномодовым ^{[ необходимо разъяснение ]} волокном для сетей PON используют одномодовое поведение для разделения луча. ^{[ необходимо цитирование ]} Расщепитель создается путем физического сращивания двух волокон «вместе» в виде X.

Схемы зеркал или призм, используемые в качестве насадок для фотосъемки стереоскопических пар изображений с одним объективом и одной экспозицией, иногда называют «делителями луча», но это неправильное название, поскольку они фактически являются парой перископов, перенаправляющих лучи света, которые уже не совпадают. В некоторых очень необычных насадках для стереосъемки зеркала или призменные блоки, похожие на делители луча, выполняют противоположную функцию, накладывая виды объекта с двух разных точек зрения через цветные фильтры, чтобы обеспечить прямое создание анаглифного 3D- изображения, или через быстро сменяющиеся затворы для записи последовательного полевого 3D- видео.

Фазовый сдвиг

Фазовый сдвиг через светоделитель с диэлектрическим покрытием.

Иногда для рекомбинации лучей света используются светоделители, как в интерферометре Маха-Цендера . В этом случае есть два входящих луча и потенциально два исходящих луча. Но амплитуды двух исходящих лучей являются суммами (комплексных) амплитуд, вычисленных для каждого из входящих лучей, и это может привести к тому, что один из двух исходящих лучей будет иметь нулевую амплитуду. Для сохранения энергии (см. следующий раздел), должен быть сдвиг фаз по крайней мере в одном из исходящих лучей. Например (см. красные стрелки на рисунке справа), если поляризованная световая волна в воздухе попадает на диэлектрическую поверхность, такую ​​как стекло, и электрическое поле световой волны находится в плоскости поверхности, то отраженная волна будет иметь сдвиг фаз π, в то время как прошедшая волна не будет иметь сдвига фаз; синяя стрелка не улавливает сдвиг фаз, потому что она отражается от среды с более низким показателем преломления. Поведение диктуется уравнениями Френеля . ^[1] Это не относится к частичному отражению проводящими (металлическими) покрытиями, где другие фазовые сдвиги происходят на всех путях (отраженных и переданных). В любом случае детали фазовых сдвигов зависят от типа и геометрии светоделителя.

Классический светоделитель без потерь

Для светоделителей с двумя входящими лучами, использующих классический светоделитель без потерь с электрическими полями E _a и E _{b ,} каждое из которых падает на один из входов, два выходных поля E _c и E _d линейно связаны с входами через

${\displaystyle \mathbf {E} _{\text{out}}={\begin{bmatrix}E_{c}\\E_{d}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}r_{ac}&t_{bc}\\t_{ad}&r_{bd}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}E_{a}\\E_{b}\end{bmatrix}}=\tau \mathbf {E} _{\text{in}},}$

где элемент 2×2 — это матрица передачи светоделителя, а r и t — коэффициенты отражения и пропускания по определенному пути через светоделитель, этот путь обозначен нижними индексами. (Значения зависят от поляризации света.) ${\displaystyle \tau }$

Если светоделитель не удаляет энергию из световых лучей, то общую выходную энергию можно приравнять к общей входной энергии, что означает

${\displaystyle |E_{c}|^{2}+|E_{d}|^{2}=|E_{a}|^{2}+|E_{b}|^{2}.}$

Вставка результатов из уравнения переноса выше дает ${\displaystyle E_{b}=0}$

${\displaystyle |r_{ac}|^{2}+|t_{ad}|^{2}=1,}$

и аналогично для тогда ${\displaystyle E_{a}=0}$

${\displaystyle |r_{bd}|^{2}+|t_{bc}|^{2}=1.}$

Когда оба и не равны нулю, и используя эти два результата, получаем ${\displaystyle E_{a}}$ ${\displaystyle E_{b}}$

${\displaystyle r_{ac}t_{bc}^{\ast }+t_{ad}r_{bd}^{\ast }=0,}$

где " " указывает на комплексное сопряжение. Теперь легко показать, что где есть тождество, т.е. матрица переноса светоделителя является унитарной матрицей . ${\displaystyle ^{\ast }}$ ${\displaystyle \tau ^{\dagger }\tau =\mathbf {I} }$ ${\displaystyle \mathbf {I} }$

Каждое r и t можно записать как комплексное число , имеющее амплитуду и фазовый фактор; например, . Фазовый фактор учитывает возможные сдвиги фазы луча, когда он отражается или проходит через эту поверхность. Тогда мы получаем ${\displaystyle r_{ac}=|r_{ac}|e^{i\phi _{ac}}}$

${\displaystyle |r_{ac}||t_{bc}|e^{i(\phi _{ac}-\phi _{bc})}+|t_{ad}||r_{bd}|e^{i(\phi _{ad}-\phi _{bd})}=0.}$

Если еще больше упростить, то соотношение становится

${\displaystyle {\frac {|r_{ac}|}{|t_{ad}|}}=-{\frac {|r_{bd}|}{|t_{bc}|}}e^{i(\phi _{ad}-\phi _{bd}+\phi _{bc}-\phi _{ac})}}$

что верно, когда и экспоненциальный член уменьшается до -1. Применяя это новое условие и возводя обе стороны в квадрат, получаем ${\displaystyle \phi _{ad}-\phi _{bd}+\phi _{bc}-\phi _{ac}=\pi }$

${\displaystyle {\frac {1-|t_{ad}|^{2}}{|t_{ad}|^{2}}}={\frac {1-|t_{bc}|^{2}}{|t_{bc}|^{2}}},}$

где были сделаны замены формы . Это приводит к результату ${\displaystyle |r_{ac}|^{2}=1-|t_{ad}|^{2}}$

${\displaystyle |t_{ad}|=|t_{bc}|\equiv T,}$

и аналогично,

${\displaystyle |r_{ac}|=|r_{bd}|\equiv R.}$

Из этого следует, что . ${\displaystyle R^{2}+T^{2}=1}$

Определив ограничения, описывающие светоделитель без потерь, исходное выражение можно переписать как

${\displaystyle {\begin{bmatrix}E_{c}\\E_{d}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}Re^{i\phi _{ac}}&Te^{i\phi _{bc}}\\Te^{i\phi _{ad}}&Re^{i\phi _{bd}}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}E_{a}\\E_{b}\end{bmatrix}}.}$^[2]

Применение различных значений амплитуд и фаз может объяснить множество различных форм светоделителей, которые можно увидеть широко используемыми.

Матрица переноса, по-видимому, имеет 6 амплитудных и фазовых параметров, но также имеет 2 ограничения: и . Чтобы включить ограничения и упростить до 4 независимых параметров, мы можем записать ^[3] (и из ограничения ), так что ${\displaystyle R^{2}+T^{2}=1}$ ${\displaystyle \phi _{ad}-\phi _{bd}+\phi _{bc}-\phi _{ac}=\pi }$ ${\displaystyle \phi _{ad}=\phi _{0}+\phi _{T},\phi _{bc}=\phi _{0}-\phi _{T},\phi _{ac}=\phi _{0}+\phi _{R}}$ ${\displaystyle \phi _{bd}=\phi _{0}-\phi _{R}-\pi }$

${\displaystyle {\begin{aligned}\phi _{T}&={\tfrac {1}{2}}\left(\phi _{ad}-\phi _{bc}\right)\\\phi _{R}&={\tfrac {1}{2}}\left(\phi _{ac}-\phi _{bd}+\pi \right)\\\phi _{0}&={\tfrac {1}{2}}\left(\phi _{ad}+\phi _{bc}\right)\end{aligned}}}$

где — разность фаз между переданными лучами и аналогично для , а — глобальная фаза. Наконец, используя другое ограничение, которое мы определяем так, что , следовательно ${\displaystyle 2\phi _{T}}$ ${\displaystyle 2\phi _{R}}$ ${\displaystyle \phi _{0}}$ ${\displaystyle R^{2}+T^{2}=1}$ ${\displaystyle \theta =\arctan(R/T)}$ ${\displaystyle T=\cos \theta ,R=\sin \theta }$

${\displaystyle \tau =e^{i\phi _{0}}{\begin{bmatrix}\sin \theta e^{i\phi _{R}}&\cos \theta e^{-i\phi _{T}}\\\cos \theta e^{i\phi _{T}}&-\sin \theta e^{-i\phi _{R}}\end{bmatrix}}.}$

Расщепитель луча 50:50 получается, когда . Диэлектрический расщепитель луча выше, например, имеет ${\displaystyle \theta =\pi /4}$

${\displaystyle \tau ={\frac {1}{\sqrt {2}}}{\begin{bmatrix}1&1\\1&-1\end{bmatrix}},}$

т.е. , в то время как «симметричный» светоделитель Лаудона ^[2] имеет ${\displaystyle \phi _{T}=\phi _{R}=\phi _{0}=0}$

${\displaystyle \tau ={\frac {1}{\sqrt {2}}}{\begin{bmatrix}1&i\\i&1\end{bmatrix}},}$

то есть . ${\displaystyle \phi _{T}=0,\phi _{R}=-\pi /2,\phi _{0}=\pi /2}$

Использование в экспериментах

Светоделители использовались как в мысленных экспериментах , так и в реальных экспериментах в области квантовой теории и теории относительности и других областях физики . К ним относятся:

• Эксперимент Физо 1851 года по измерению скорости света в воде
• Эксперимент Майкельсона -Морли 1887 года по измерению влияния (гипотетического) светоносного эфира на скорость света
• Эксперимент Хаммара 1935 года, опровергающий утверждение Дейтона Миллера о положительном результате повторения эксперимента Майкельсона-Морли.
• Эксперимент Кеннеди–Торндайка 1932 года по проверке независимости скорости света и скорости измерительного прибора
• Эксперименты с тестами Белла (примерно с 1972 г.) для демонстрации последствий квантовой запутанности и исключения локальных теорий скрытых переменных
• Эксперимент Уилера с отложенным выбором 1978, 1984 и т. д., чтобы проверить, что заставляет фотон вести себя как волна или частица и когда это происходит
• Эксперимент FELIX (предложенный в 2000 году) для проверки интерпретации Пенроуза о том, что квантовая суперпозиция зависит от кривизны пространства-времени
• Интерферометр Маха -Цендера , используемый в различных экспериментах, включая испытание бомбы Элицура-Вайдмана, включающее измерение без взаимодействия ; и в других экспериментах в области квантовых вычислений.

Квантово-механическое описание

В квантовой механике электрические поля являются операторами, как объясняется вторичным квантованием и состояниями Фока . Каждый оператор электрического поля может быть далее выражен в терминах мод, представляющих волновое поведение, и операторов амплитуды, которые обычно представлены безразмерными операторами создания и уничтожения . В этой теории четыре порта светоделителя представлены состоянием числа фотонов , а действие операции создания равно . Ниже приведена упрощенная версия работы ^[3] . Соотношение между классическими амплитудами поля и , созданными светоделителем, преобразуется в то же самое соотношение соответствующих квантовых операторов создания (или уничтожения) , и , так что ${\displaystyle |n\rangle }$ ${\displaystyle {\hat {a}}^{\dagger }|n\rangle ={\sqrt {n+1}}|n+1\rangle }$ ${\displaystyle {E}_{a},{E}_{b},{E}_{c}}$ ${\displaystyle {E}_{d}}$ ${\displaystyle {\hat {a}}_{a}^{\dagger },{\hat {a}}_{b}^{\dagger },{\hat {a}}_{c}^{\dagger }}$ ${\displaystyle {\hat {a}}_{d}^{\dagger }}$

${\displaystyle \left({\begin{matrix}{\hat {a}}_{c}^{\dagger }\\{\hat {a}}_{d}^{\dagger }\end{matrix}}\right)=\tau \left({\begin{matrix}{\hat {a}}_{a}^{\dagger }\\{\hat {a}}_{b}^{\dagger }\end{matrix}}\right)}$

где матрица передачи приведена в разделе классического светоделителя без потерь выше:

${\displaystyle \tau =\left({\begin{matrix}r_{ac}&t_{bc}\\t_{ad}&r_{bd}\end{matrix}}\right)=e^{i\phi _{0}}\left({\begin{matrix}\sin \theta e^{i\phi _{R}}&\cos \theta e^{-i\phi _{T}}\\\cos \theta e^{i\phi _{T}}&-\sin \theta e^{-i\phi _{R}}\end{matrix}}\right).}$

Так как является унитарным, то , т.е. ${\displaystyle \tau }$ ${\displaystyle \tau ^{-1}=\tau ^{\dagger }}$

${\displaystyle \left({\begin{matrix}{\hat {a}}_{a}^{\dagger }\\{\hat {a}}_{b}^{\dagger }\end{matrix}}\right)=\left({\begin{matrix}r_{ac}^{\ast }&t_{ad}^{\ast }\\t_{bc}^{\ast }&r_{bd}^{\ast }\end{matrix}}\right)\left({\begin{matrix}{\hat {a}}_{c}^{\dagger }\\{\hat {a}}_{d}^{\dagger }\end{matrix}}\right).}$

Это эквивалентно утверждению, что если мы начнем с состояния вакуума и добавим фотон в порт a, чтобы получить ${\displaystyle |00\rangle _{ab}}$

${\displaystyle |\psi _{\text{in}}\rangle ={\hat {a}}_{a}^{\dagger }|00\rangle _{ab}=|10\rangle _{ab},}$

затем светоделитель создает суперпозицию на выходах

${\displaystyle |\psi _{\text{out}}\rangle =\left(r_{ac}^{\ast }{\hat {a}}_{c}^{\dagger }+t_{ad}^{\ast }{\hat {a}}_{d}^{\dagger }\right)|00\rangle _{cd}=r_{ac}^{\ast }|10\rangle _{cd}+t_{ad}^{\ast }|01\rangle _{cd}.}$

Вероятности выхода фотона через порты c и d , как и следовало ожидать, равны и . ${\displaystyle |r_{ac}|^{2}}$ ${\displaystyle |t_{ad}|^{2}}$

Аналогично, для любого входного состояния ${\displaystyle |nm\rangle _{ab}}$

${\displaystyle |\psi _{\text{in}}\rangle =|nm\rangle _{ab}={\frac {1}{\sqrt {n!}}}\left({\hat {a}}_{a}^{\dagger }\right)^{n}{\frac {1}{\sqrt {m!}}}\left({\hat {a}}_{b}^{\dagger }\right)^{m}|00\rangle _{ab}}$

и выходной сигнал —

${\displaystyle |\psi _{\text{out}}\rangle ={\frac {1}{\sqrt {n!}}}\left(r_{ac}^{\ast }{\hat {a}}_{c}^{\dagger }+t_{ad}^{\ast }{\hat {a}}_{d}^{\dagger }\right)^{n}{\frac {1}{\sqrt {m!}}}\left(t_{bc}^{\ast }{\hat {a}}_{c}^{\dagger }+r_{bd}^{\ast }{\hat {a}}_{d}^{\dagger }\right)^{m}|00\rangle _{cd}.}$

Используя мультибиномиальную теорему , это можно записать

${\displaystyle {\begin{aligned}|\psi _{\text{out}}\rangle &={\frac {1}{\sqrt {n!m!}}}\sum _{j=0}^{n}\sum _{k=0}^{m}{\binom {n}{j}}\left(r_{ac}^{\ast }{\hat {a}}_{c}^{\dagger }\right)^{j}\left(t_{ad}^{\ast }{\hat {a}}_{d}^{\dagger }\right)^{(n-j)}{\binom {m}{k}}\left(t_{bc}^{\ast }{\hat {a}}_{c}^{\dagger }\right)^{k}\left(r_{bd}^{\ast }{\hat {a}}_{d}^{\dagger }\right)^{(m-k)}|00\rangle _{cd}\\&={\frac {1}{\sqrt {n!m!}}}\sum _{N=0}^{n+m}\sum _{j=0}^{N}{\binom {n}{j}}r_{ac}^{\ast j}t_{ad}^{\ast (n-j)}{\binom {m}{N-j}}t_{bc}^{\ast (N-j)}r_{bd}^{\ast (m-N+j)}\left({\hat {a}}_{c}^{\dagger }\right)^{N}\left({\hat {a}}_{d}^{\dagger }\right)^{M}|00\rangle _{cd},\\&={\frac {1}{\sqrt {n!m!}}}\sum _{N=0}^{n+m}\sum _{j=0}^{N}{\binom {n}{j}}{\binom {m}{N-j}}r_{ac}^{\ast j}t_{ad}^{\ast (n-j)}t_{bc}^{\ast (N-j)}r_{bd}^{\ast (m-N+j)}{\sqrt {N!M!}}\quad |N,M\rangle _{cd},\end{aligned}}}$

где и — биномиальный коэффициент, и следует понимать, что коэффициент равен нулю, если и т. д. ${\displaystyle M=n+m-N}$ ${\displaystyle {\tbinom {n}{j}}}$ ${\displaystyle j\notin \{0,n\}}$

Коэффициент пропускания/отражения в последнем уравнении можно записать через приведенные параметры, обеспечивающие унитарность:

${\displaystyle r_{ac}^{\ast j}t_{ad}^{\ast (n-j)}t_{bc}^{\ast (N-j)}r_{bd}^{\ast (m-N+j)}=(-1)^{j}\tan ^{2j}\theta (-\tan \theta )^{m-N}\cos ^{n+m}\theta \exp -i\left[(n+m)(\phi _{0}+\phi _{T})-m(\phi _{R}+\phi _{T})+N(\phi _{R}-\phi _{T})\right].}$

где можно увидеть, что если светоделитель 50:50, то и единственный фактор, который зависит от j, — это член. Этот фактор вызывает интересные интерференционные отмены. Например, если и светоделитель 50:50, то ${\displaystyle \tan \theta =1}$ ${\displaystyle (-1)^{j}}$ ${\displaystyle n=m}$

${\displaystyle {\begin{aligned}\left({\hat {a}}_{a}^{\dagger }\right)^{n}\left({\hat {a}}_{b}^{\dagger }\right)^{m}&\to \left[{\hat {a}}_{a}^{\dagger }{\hat {a}}_{b}^{\dagger }\right]^{n}\\&=\left[\left(r_{ac}^{\ast }{\hat {a}}_{c}^{\dagger }+t_{ad}^{\ast }{\hat {a}}_{d}^{\dagger }\right)\left(t_{bc}^{\ast }{\hat {a}}_{c}^{\dagger }+r_{bd}^{\ast }{\hat {a}}_{d}^{\dagger }\right)\right]^{n}\\&=\left[{\frac {e^{-i\phi _{0}}}{\sqrt {2}}}\right]^{2n}\left[\left(e^{-i\phi _{R}}{\hat {a}}_{c}^{\dagger }+e^{-i\phi _{T}}{\hat {a}}_{d}^{\dagger }\right)\left(e^{i\phi _{T}}{\hat {a}}_{c}^{\dagger }-e^{i\phi _{R}}{\hat {a}}_{d}^{\dagger }\right)\right]^{n}\\&={\frac {e^{-2in\phi _{0}}}{2^{n}}}\left[e^{i(\phi _{T}-\phi _{R})}\left({\hat {a}}_{c}^{\dagger }\right)^{2}+e^{-i(\phi _{T}-\phi _{R})}\left({\hat {a}}_{d}^{\dagger }\right)^{2}\right]^{n}\end{aligned}}}$

где член сократился. Поэтому выходные состояния всегда имеют четное количество фотонов в каждом плече. Известным примером этого является эффект Хонга–Оу–Манделя , в котором вход имеет , выход всегда или , т. е. вероятность выхода с фотоном в каждой моде (совпадение событий) равна нулю. Обратите внимание, что это верно для всех типов светоделителей 50:50 независимо от деталей фаз, и фотоны должны быть только неразличимы. Это контрастирует с классическим результатом, в котором равный выход в обоих плечах для равных входов на светоделителе 50:50 появляется для определенных фаз светоделителя (например, симметричный светоделитель ), а для других фаз, где выход идет в одно плечо (например, диэлектрический светоделитель ), выход всегда находится в одном плече, а не случайным образом в любом плече, как в данном случае. Из принципа соответствия можно было бы ожидать, что квантовые результаты будут стремиться к классическим в пределах больших n , но появление большого числа неразличимых фотонов на входе является неклассическим состоянием, которое не соответствует классической картине поля, которая вместо этого производит статистическую смесь различных, известную как пуассоновский свет . ${\displaystyle {\hat {a}}_{c}^{\dagger }{\hat {a}}_{d}^{\dagger }}$ ${\displaystyle n=m=1}$ ${\displaystyle |20\rangle _{cd}}$ ${\displaystyle |02\rangle _{cd}}$ ${\displaystyle \phi _{0}=\phi _{T}=0,\phi _{R}=\pi /2}$ ${\displaystyle \phi _{0}=\phi _{T}=\phi _{R}=0}$ ${\displaystyle |n,m\rangle }$

Строгий вывод приведен в статье Фирна–Лаудона 1987 года ^[4] и расширен в ^[3] для включения статистических смесей с матрицей плотности .

Несимметричный светоделитель

В общем случае для несимметричного светоделителя, а именно светоделителя, у которого коэффициенты пропускания и отражения не равны, можно определить угол таким образом, что ${\displaystyle \theta }$

${\displaystyle {\begin{cases}|R|=\sin(\theta )\\|T|=\cos(\theta )\end{cases}}}$

где и - коэффициенты отражения и пропускания. Тогда унитарная операция, связанная с расщепителем луча, будет тогда ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle T}$

${\displaystyle {\hat {U}}=e^{i\theta \left({\hat {a}}_{a}^{\dagger }{\hat {a}}_{b}+{\hat {a}}_{a}{\hat {a}}_{b}^{\dagger }\right)}.}$

Применение квантовых вычислений

В 2000 году Книлл, Лафламм и Милберн ( протокол KLM ) доказали, что можно создать универсальный квантовый компьютер, используя только светоделители, фазовращатели, фотодетекторы и источники одиночных фотонов. Состояния, которые образуют кубит в этом протоколе, являются однофотонными состояниями двух мод, т. е. состояниями |01⟩ и |10⟩ в представлении числа занятости ( состояние Фока ) двух мод. Используя эти ресурсы, можно реализовать любой однокубитный вентиль и 2-кубитные вероятностные вентили. Светоделитель является важным компонентом в этой схеме, поскольку он единственный, который создает запутанность между состояниями Фока .

Аналогичные настройки существуют для непрерывно-переменной квантовой обработки информации . Фактически, можно моделировать произвольные гауссовы (Боголюбовские) преобразования квантового состояния света с помощью светоделителей, фазовращателей и фотодетекторов, учитывая, что двухмодовые сжатые вакуумные состояния доступны только как априорный ресурс (следовательно, эта настройка имеет определенное сходство с гауссовым аналогом протокола KLM ). ^[5] Строительным блоком этой процедуры моделирования является тот факт, что светоделитель эквивалентен сжимающему преобразованию при частичном обращении времени .

Дифракционный светоделитель

Матрица 7x7 с использованием зеленого лазера и дифракционного светоделителя.

Дифракционный светоделитель [ ^{6] [7]} (также известный как многоточечный генератор луча или генератор массива лучей) представляет собой один оптический элемент , который делит входной луч на несколько выходных лучей. ^[8] Каждый выходной луч сохраняет те же оптические характеристики, что и входной луч, такие как размер, поляризация и фаза . Дифракционный светоделитель может генерировать либо одномерный массив лучей (1xN), либо двумерную матрицу лучей (MxN), в зависимости от дифракционного узора на элементе . Дифракционный светоделитель используется с монохроматическим светом, таким как лазерный луч , и рассчитан на определенную длину волны и угол разделения между выходными лучами.

Расщепители отражательного луча

Принципиальная схема светоделителя отражения в пироэлектрическом датчике (четыре оптических канала)

Отражательные светоделители отражают части падающего излучения в разных направлениях. Эти частичные лучи показывают абсолютно одинаковую интенсивность. Обычно отражательные светоделители изготавливаются из металла и имеют широкополосную спектральную характеристику.

Благодаря своей компактной конструкции, расщепители луча этого типа особенно легко устанавливаются в инфракрасных детекторах . ^[9] При таком применении излучение поступает через отверстие апертуры детектора и разделяется на несколько лучей одинаковой интенсивности, но разных направлений с помощью внутренних высокоотражающих микроструктур. Каждый луч попадает на сенсорный элемент с оптическим фильтром выше по потоку. В частности, в газовом анализе NDIR эта конструкция позволяет проводить измерения только одним лучом с минимальным поперечным сечением луча, что значительно повышает помехоустойчивость измерения.

Смотрите также

• Делители мощности и направленные ответвители

Ссылки

1. Zetie, KP; Adams, SF; Tocknell, RM, Как работает интерферометр Маха-Цендера? (PDF) , получено 13 февраля 2014 г.
2. Р. Лаудон, Квантовая теория света, третье издание, Oxford University Press, Нью-Йорк, 2000.
3. Campos, Richard; Bahaa, Saleh; Malvin, Teich (1 августа 1989 г.). "Квантово-механический светоделитель без потерь: симметрия SU(2) и статистика фотонов". Physical Review A. 40 ( 3): 1371. doi :10.1103/PhysRevA.40.1371.
4. Фирн, Х.; Лаудон, Р. (1987). «Квантовая теория светоделителя без потерь». Optics Communications . 64 (6): 485–490. doi :10.1016/0030-4018(87)90275-6.
5. Чахмахчян, Левон; Серф, Николас (2018). «Моделирование произвольных гауссовых цепей с помощью линейной оптики». Physical Review A. 98 : 062314. arXiv : 1803.11534 . doi : 10.1103/PhysRevA.98.062314.
6. Дифракционные решетки и их применение, Loewen, Erwin C. и Popov, Evgeny. Marcel Dekker, Inc. 1997.
7. Цифровая дифракционная оптика: введение в планарную дифракционную оптику и смежные технологии, Бернард К. Кресс, Патрик Мейрюе, 2005.
8. Дифракционная оптика – проектирование, изготовление и испытания, О'Ши, Сулески, Катман и Пратер, 2004. стр. 83
9. Расщепители луча на www.infratec.eu