Ist es möglich, Interferenzen von 2 unabhängigen optischen Lasern zu beobachten?

Dieses Papier scheint für Ihre Frage relevant zu sein. Wenn ich die Zusammenfassung richtig lese, lauten die Antworten auf Ihre Fragen:

F: Wenn die Kohärenzlänge eines Lasers groß genug ist, scheint es möglich zu sein, ein (bewegtes) Interferenzbild zu beobachten, indem man sie kombiniert. Ist es wahr?

A: Ja

F: Wie schnell sollten Fotodetektoren sein, um die Interferenz von Strahlen von zwei der "besten verfügbaren" Laser zu beobachten?

A: 1 Millisekunde oder schneller

F: Welche Kohärenzlänge hat der beste verfügbare Laser?

A: Mehr als 300 km

F: Gibt es genauer gesagt einen (optischen Einzelwellenlängen-)Laser mit einer Kohärenzlänge von mehr als 500 Metern?

A: Ja

Die Zusammenfassung in der Arbeit :

Interferenzstreifen, die von einem Paar Intracavity-stabilisierter Diodenlaserstrahlen erzeugt werden, die jeweils separat auf eine Apertur eines Doppelspalts auftreffen, werden auf einem linearen ladungsgekoppelten Vorrichtungsarray aufgezeichnet. Das eigentümliche Ergebnis des Experiments besteht darin, dass festgestellt wird, dass das Streifensystem für eine Zeit in der Größenordnung von 1 ms bestehen bleibt und bei längeren Integrationszeiten an Kontrast verliert. Dies impliziert, dass die einzelnen Linienbreiten der beiden Strahlen von den stabilisierten Lasern schmaler als 1 kHz sind und dass die durchschnittlichen Driftraten der zentralen Spitzen weit unter 0,1 MHz/s liegen. Das Gerät wurde innerhalb des fortgeschrittenen Elektroniklabors der Fakultät für Physik gebaut und stellt eine beträchtliche Verbesserung gegenüber früheren Demonstrationsgeräten dar, die zur Erkennung von Interferenzstreifen von unabhängigen Lasern verwendet wurden.

Ein interessanter Bericht von 1986 über Störungen durch unabhängige Quellen:

„ Interferenz zwischen unabhängigen Photonen “, Rev. Mod. Phys. 58, 209–231 (1986)

Detektoren so schnell wie 50 GHz können leicht gekauft werden (wenn Sie das Geld haben: P). Das heißt, wenn der Frequenzunterschied der Laser kleiner als 50 GHz oder der Wellenlängenunterschied kleiner als 60 pm ist, können Sie die Schwebung mit diesen schnellen Detektoren erkennen. Dieser Wellenlängenunterschied kann erreicht werden (sorry, aber ich bin nicht in der Stimmung, Papiere zu finden, die über diese Leistung berichten), Sie können sogar die Laser phasenstarren (aber dann würde ich sie nicht mehr als unabhängig bezeichnen).

Kohärenzlänge von 500 m bedeutet Kohärenzzeit von$t=500/c = 1.7 \mu s$was eine Bandbreite von bedeutet$\Delta\nu = 600 kHz$, was durch Diodenlaser mit externem Hohlraum erreicht werden kann.

Persönlich arbeite ich mit zwei gepulsten Laserquellen und es ist mir gelungen, eine als Master und die andere als Slaver zu verwenden, was auf diese Weise zu einer perfekten Synchronisation in Wellenlänge, Phase und Pulsfrequenz führt. Ich habe nie versucht, einen Interferenzpfad dazwischen zu sehen sie (ich benutze diese nur für Mikroskopiezwecke), aber wie Tobias sagte, sehe ich nicht ein, warum das nicht funktionieren sollte, solange eine stabile Synchronisation aufrechterhalten wird.

Ich weiß wirklich nichts über die Kohärenzlänge von 500 m.

Ich gehe von der Formulierung der Frage aus, dass Sie ein räumliches Interferenzmuster sehen möchten - helle und dunkle Ränder - und nicht etwas im Zeitbereich. Wie bereits erwähnt, können Sie leicht zwei unabhängige Laser zusammenschlagen und ein Signal erhalten, das bei der Differenz zwischen den beiden pulsiert. Sie können auch Zufallszählexperimente mit Photonen durchführen, die von zwei verschiedenen Lasern stammen, und zeigen, dass sie sich gegenseitig stören – ich glaube, das ist das „Hong-Ou-Mandel“-Experiment, aber ich könnte den Namen falsch haben.

Wenn Sie ein Muster von Interferenzstreifen im Raum sehen möchten, benötigen Sie einen Detektor, der sowohl schnell als auch positionsempfindlich ist, da sich das Interferenzmuster zeitlich schnell ändert. Sie müssten irgendwann einen "Schnappschuss" des Musters machen, bevor es Zeit hat, die Position zu verschieben und die Fransen von früher auszuwaschen. Also, von welcher Art von Geschwindigkeit sprechen wir?

Nun, das Muster zwischen den Lasern wäre für eine Zeit in der Größenordnung der Kohärenzzeit der Laser stabil. Eine gute Faustregel zum Ermitteln der Kohärenzzeit für einen ziemlich gewöhnlichen Laser ist, dass die Kohärenzlänge des Lasers ungefähr gleich der Länge des Resonators ist. Ein typischer Gaslaser, wie Sie ihn leicht in den Regalen Ihres örtlichen Physikabteilungslagers finden würden, hat einen Hohlraum, der ungefähr einen Fuß lang ist, was eine Kohärenzzeit bedeutet, die der Zeit entspricht, die das Licht benötigt, um einen Fuß zurückzulegen, also eine Nanosekunde .

Sie möchten also in der Lage sein, das Muster in weniger als einer Nanosekunde aufzunehmen, was bedeutet, dass Ihr Detektor in der Lage sein muss, Zählraten von mindestens einem Gigahertz zu verarbeiten. Das ist nicht allzu schwer zu handhaben - Sie können ziemlich einfach Fotodioden mit einer Bandbreite von 50-60 GHz bekommen. Um ein räumliches Muster zu sehen, benötigen Sie jedoch zumindest ein lineares Array davon, und eine CCD-Kamera wäre noch besser. Sie müssen auch in der Lage sein, mehrere Photonen in dieser Spanne aufzunehmen, um das Muster sehen zu können, damit Sie den Unterschied zwischen hellen und dunklen Rändern klar auflösen können - ich würde sagen, Sie möchten wahrscheinlich mindestens 100 Photonen / Pixel in den hellen Rändern, um einen anständigen Randkontrast zu erhalten. Dies ist mit ziemlich einfachen Lasern machbar - ein paar Milliwatt im roten Wellenlängenbereich sind etwa 10^15 Photonen/s, oder ungefähr 10 ^ 6 Photonen / ns, sodass Sie das über einige tausend Pixel verteilen können und trotzdem sicher sind. Und natürlich benötigen Sie in Ihrem Detektor eine niedrige „Dunkelzahl“, damit er leicht den Unterschied zwischen einem hellen Fleck mit 100 Photonen und einem dunklen Fleck ohne Photonen erkennen kann.

Das ist eine ziemlich herausfordernde Reihe von Detektoranforderungen. Sie möchten im Wesentlichen einen CCD-Detektor mit Einzelphotonenempfindlichkeit und einer Bandbreite von 100 GHz. Ich glaube nicht, dass Sie das einfach so herumliegen finden werden. Sogar die schnellen CCD-Detektoren, die für die Echtzeitüberwachung von BEC-Experimenten und dergleichen verwendet werden, haben eine Frame-Auslesezeit von etwa einer Millisekunde, und diese sind nicht für Einzelphotonen empfindlich. Einzelphotonendetektoren sind in der Regel einzelne Avalanche-Fotodioden, die durch Photonenzählraten von einigen zehn Kilohertz leicht beschädigt werden können. Sie könnten möglicherweise einen Detektor mit diesen Spezifikationen konstruieren, aber es wäre ein äußerst schwieriges Problem und nicht etwas, das sich lohnt, nur um ein räumliches Interferenzmuster zwischen zwei unabhängigen Lasern zu sehen.

Wenn Sie die Kohärenzzeit der Laser um den Faktor 1000 erhöhen können (was kein triviales Unterfangen ist), wird es etwas einfacher, aber es ist immer noch sehr schwierig - Sie suchen nach einem CCD mit einem Rahmen Auslesezeit von etwa einer Mikrosekunde, die Photonenzählungen im Megahertz-Bereich verarbeiten kann. Was immer noch ein sehr schwieriges Problem ist.

Das ist wahrscheinlich der Grund, warum es nicht gemacht wurde, zumindest nicht, dass ich mir dessen bewusst bin.

BEARBEITEN: Am nächsten an der Sache, über die Sie sprechen, ist das Pfleegor-Mandel-Experiment , das eine statistische Technik verwendete, um zu zeigen, dass es räumliche Streifen im Interferenzmuster zweier unabhängiger Laser gab. Von einer direkten Beobachtung des Musters ist man jedoch weit entfernt.