Wie entsteht gequetschtes Licht?

Das Quetschen von Laserlicht beinhaltet im Allgemeinen eine nichtlineare Wechselwirkung, wobei die Art der Wechselwirkung von der Intensität des vorhandenen Lichts abhängt. Ein leicht verständliches Beispiel ist die Frequenzverdopplung, die zwei Photonen von einem Pumplaser nimmt und ein Photon mit der doppelten Frequenz aussendet.

Sie können sich den Eingangsstrahl als einen Strom von Photonen mit einer gewissen Schwankung im "Abstand" der Photonen entlang des Strahls vorstellen. Das heißt, im Durchschnitt erhalten Sie, sagen wir, ein Photon pro Zeiteinheit, aber manchmal erhalten Sie zwei und manchmal gar kein Photon.

Wenn Sie diesen Strahl in einen nichtlinearen Kristall schicken, um eine Frequenzverdopplung durchzuführen, tritt die Verdopplung nur in den Momenten auf, in denen Sie zwei Photonen in einer Zeiteinheit erhalten. In diesem Fall werden die beiden Photonen aus dem ursprünglichen Strahl entfernt und erzeugen ein Photon im frequenzverdoppelten Ausgangsstrahl.

Betrachtet man das im Eingangsstrahl zurückgelassene Durchlicht, so findet man geringere Schwankungen in der Intensität, weil alle Zwei-Photonen-Augenblicke entfernt wurden. Somit wird der gesendete Strahl "amplitudengequetscht". Es ist nicht ganz so offensichtlich, dass der frequenzverdoppelte Strahl geringere Intensitätsschwankungen aufweist, aber auch er ist amplitudenkomprimiert, weil Sie Photonen nur dann bekommen, wenn Sie zwei Photonen im ursprünglichen Strahl hatten, und es ist äußerst unwahrscheinlich, dass Sie das bekommen würden zwei davon sehr dicht hintereinander (oder vier Photonen des ursprünglichen Strahls in einem Augenblick). Sie haben also eine geringere Intensität im doppelten Strahl und auch geringere Schwankungen.

So könnte Ihr Eingangsstrahl beispielsweise die folgende Folge von Photonenzahlen in Zeitschritten von einer Einheit ergeben:

1112010112110120

Der Eingangsstrahl nach dem Verdopplungskristall sieht folgendermaßen aus:

1110010110110100

und der verdoppelte Ausgangsstrahl sieht so aus:

0001000001000010

Beide haben geringere Schwankungen als der Ausgangszustand.

Gequetschtes Licht kann aus Licht in einem kohärenten Zustand oder Vakuumzustand erzeugt werden, indem bestimmte optische nichtlineare Wechselwirkungen verwendet werden.

Beispielsweise kann ein optischer parametrischer Verstärker mit einem Vakuumeingang ein komprimiertes Vakuum mit einer Verringerung des Rauschens einer Quadraturkomponente um die Größenordnung von 10 dB erzeugen. Eine geringere Quetschung bei hellem amplitudengequetschten Licht kann unter Umständen durch Frequenzverdopplung erreicht werden. Quetschen kann auch durch Atom-Licht-Wechselwirkungen entstehen.

Quellenangaben: http://www.squeezed-light.de/body.html#generation

Squeezing kann als das Verhältnis von Unsicherheiten in den Varianzen eines Quadraturoperators definiert werden.

Was bedeutet das?

Angenommen, Sie arbeiten auf der Basis des kohärenten Zustands. Jetzt entscheiden Sie sich, den Photonenvernichtungsoperator als Summe zweier Quadraturen wie folgt zu schreiben:

$$\hat{x}=(\hat{a}e^{-i\phi }+c.c)/2, \hat{y}=(\hat{a}e^{-i\phi }-c.c)/2i$$ Wenn wir im Heisenberg-Bild arbeiten, können wir das Zusammendrücken als das Verhältnis der Varianzen jedes dieser Operatoren bei verschiedenen Werten des gewählten Parameters definieren. Bei der Erzeugung von Harmonischen werden diese Operatoren normalerweise durch die Ausbreitungsentfernung parametrisiert $\zeta$, dh Sie stellen die Frage "Welchen Wert hat das Quetschen nach der Ausbreitung der Lichtfelder $\zeta$?" Sie können auch zeitlich frei parametrieren.

Der Punkt ist, Ihr mathematisches Bild sollte etwas mit Ihrem Experiment zu tun haben. In einem Experiment,$\langle\Delta\hat{x}^2\rangle,\langle\Delta\hat{y}^2\rangle$nehmen die Bedeutung von Photon Number Squeezing und Phase Squeezing an. Mein Verständnis ist, dass diese Erkenntnis durch experimentelle Überprüfung zustande kam.

Wenn Sie die Anfangsphase einstellen$\phi =0$, dann erhalten Sie eine kanonische Zerlegung der$\hat{a}$Operator. Für jeden anderen Phasenwert müssen Sie eine Überlagerungsmessung durchführen, um Informationen über das Zusammendrücken in beiden Quadraturen zu erhalten.

Es gibt andere interessante Fragen, die man zu Invarianten dieses Systems stellen kann, experimentelle Bedeutung hinter dem Rotieren/Ändern der Basis, Rekonstruieren des Quantenzustands durch den Wigner-Formalismus usw.

Hoffe das hilft.

PS: Bitte bedenken Sie, dass diese Antwort auf meinem begrenzten Verständnis basiert. Ich bin sicher, jemand anderes kann sich mit einer genaueren / detaillierteren Antwort melden.