🚸 🕯️ 🗡️ संपीड़ित प्रकाश या गुरुत्वाकर्षण तरंगें क्या होती हैं 🤪 🙋🏻 🕜

जीटी को नमस्कार! आज हम प्रकाश की एक असामान्य स्थिति और उसके समान रूप से असामान्य अनुप्रयोगों के बारे में बात करेंगे। बिल्ली के लिए आपका स्वागत है।

एक पुलिसकर्मी ने हाइजेनबर्ग को रोक दिया, जिसने गति को पार कर लिया है।
"क्या आप भी जानते हैं कि आप कितनी तेजी से गाड़ी चला रहे थे?"
"नहीं, लेकिन मुझे पता है कि मैं कहाँ था।"
(दाढ़ी वाला किस्सा) एक कण के समन्वय और वेग (संवेग) को मापने के लिए

हेइज़ेनबर्ग अनिश्चितता संबंध एक साथ मना करता है। इसके अलावा, कोई भी एक मात्रा को सही ढंग से मापने के लिए परेशान नहीं करता है - लेकिन फिर दूसरी अनिश्चितता और भी अधिक हो जाएगी।

सामान्य तौर पर, भौतिकी में अनिश्चितता के संबंध काफी सामान्य हैं। उदाहरण के लिए, विद्युत चुम्बकीय तरंग के लिए समान संबंध सही है: यह इसकी तीव्रता (फोटॉन की संख्या) और चरण से संबंधित है :

इस अनिश्चितता के कारण, हम तरंग द्वारा वर्णित साइनसॉइड को सटीक रूप से माप नहीं सकते हैं, पर्यवेक्षक के लिए यह हमेशा शोर में रहेगा।

यह एक पाई चार्ट में स्पष्ट रूप से दिखाया जा सकता है, जहां आयाम त्रिज्या से बिंदु, चरण - बिंदु की दिशा और एक्स अक्ष के बीच के कोण से मेल खाता है। ग्रीन अनिश्चितता को दर्शाता है:

इस मामले में, कोई भी परेशान सही रूप में निर्धारित करने के लिए या तो आयाम या चरण। तब त्रुटियों का घेरा एक दीर्घवृत्त में बदल जाएगा, एक दिशा में सिकुड़ जाएगा और दूसरे में फैल जाएगा:

इस स्थिति को निचोड़ा हुआ प्रकाश कहा जाता है , क्योंकि आयाम या चरण के उतार-चढ़ाव को अक्षों में से एक के साथ संकुचित किया जाता है, माप त्रुटि को कम करता है। पहले को आयाम संपीड़न कहा जाता है (अंडाशय को त्रिज्या के पार बढ़ाया जाता है, आप साइन लहर के मैक्सिमा-मिनीमा में आयाम को सटीक रूप से माप सकते हैं); दूसरा चरण (त्रिज्या के साथ दीर्घवृत्त, आप साइन लहर के शून्य पर चरण को माप सकते हैं)।

यह महत्वपूर्ण क्यों है?

साधारण प्रकाश के लिए, हम आयाम या चरण को माप नहीं सकते हैं जो त्रुटियों के चक्र से अधिक सटीक रूप से हमें देता है। इसे मानक क्वांटम शोर स्तर कहा जाता है । संपीड़ित प्रकाश आपको इस शोर स्तर के तहत एक दिशा में त्रुटि और "गोता" को कम करने की अनुमति देता है। एक अर्थ में, हम [pathos_mode_on] प्रकृति की तुलना में अधिक सटीक माप ले सकते हैं [pathos_mode_off]।

एक सरल उदाहरण।

प्रत्येक प्रकाश स्रोत प्रत्येक सेकंड में एक पूर्णांक संख्या में फोटोन उत्पन्न करता है। यह प्रकाश की क्वांटम प्रकृति के कारण दूसरे से दूसरे में बदल सकता है, जिससे फोटॉनों की संख्या का वितरण होता है (मैंने हनबरी ब्राउन और ट्विस के बारे में कहानी में इसका उल्लेख किया है )।

फोटोन की संख्या प्रकाश की तीव्रता के समान है। यही है, तीव्रता थोड़ी "शोर" है - दूसरे से दूसरे तक भिन्न होती है। यह मानक क्वांटम शोर स्तर है।

लेकिन अगर फोटॉन की संख्या दूसरे से दूसरे (दाईं ओर आंकड़ा) में नहीं बदलती है, तो तीव्रता सख्ती से स्थिर है और किसी भी शोर से रहित है। यह वह प्रकाश होगा जो अधिकतम रूप से आयाम में संपीड़ित होता है। एक ही समय में फोटॉनों का प्रवाह कुछ इस तरह दिखता है:

यही है, फोटॉन को समय-समय पर सख्ती से उत्सर्जित किया जाता है। यदि आवधिकता का उल्लंघन किया जाता है, तो प्रकाश अभी भी कुछ हद तक संकुचित रहता है।

इसकी आवश्यकता क्यों है?

अन्य विदेशी वस्तुओं के विपरीत, संपीड़ित प्रकाश का उपयोग बहुत आशाजनक निकला।

दूरसंचार। एक संपीड़ित चर (आयाम (AM) या चरण (FM), अधिक सामान्य शब्द चतुर्भुज) को संशोधित करके सूचना का प्रसारण आपको सिग्नल-टू-शोर अनुपात को बढ़ाने की अनुमति देता है। एम्पलीफायरों का निर्माण करना संभव है जो केवल उस क्वाडरेचर पर शोर जोड़ते हैं जो असम्पीडित है और एक उपयोगी संकेत नहीं ले जाता है।

बहुत नाजुक स्थिति। कुछ मामलों में, फोटॉनों के उलझाव और प्रकाश के संपीड़न के बीच समानताएं खींची जा सकती हैं। उदाहरण के लिए, आप प्रकाश के दो बीमों को भ्रमित कर सकते हैं: एक आयाम में संपीड़ित, दूसरा चरण में।

क्वांटम क्रिप्टोग्राफी। क्वांटम उलझाव और ऊपर की तस्वीर से उपजा है। क्वांटम क्रिप्टोग्राफी की सबसे सरल योजना में, ऐलिस यादृच्छिक यादृच्छिक ध्रुवीकरण वाले फोटॉन का उपयोग करके बॉब को जानकारी प्रसारित करता है। संपीड़न की दिशा संपीड़न की भूमिका निभा सकती है: यदि यह अनुचित तरीके से चुना गया है, तो एक हमलावर जो संचार चैनल को स्वीकार करता है, वह सिग्नल के बजाय शोर को मापेगा।

गुरुत्वाकर्षण तरंग डिटेक्टर। इस कार्य के लिए, आपको बड़े भार के सबसे छोटे उतार-चढ़ाव को पकड़ने की आवश्यकता है। यह आमतौर पर एक माइकलसन इंटरफेरोमीटर का उपयोग करके किया जाता है। यह बहुत ही सरलता से बनाया गया है: एक लेजर, दो दर्पण और एक पारभासी प्लेट:

एक लेजर दो दर्पणों से परिलक्षित होता है, दो प्रतिबिंब हस्तक्षेप करते हैं, और स्क्रीन पर एक हस्तक्षेप पैटर्न बनता है। यदि दर्पण में से कोई एक चलता है, तो चित्र भी चलता है। यह लहर के चरण में बदलाव के कारण होता है: दर्पण दूर चला गया है - लेजर पथ थोड़ा लंबा हो गया है, एक अतिरिक्त चरण आ गया है - हस्तक्षेप स्ट्रिप्स स्थानांतरित हो गए हैं।

चूंकि इंटरफेरोमीटर चरण को मापता है, इसलिए इसका रिज़ॉल्यूशन चरण की अनिश्चितता से बेहतर नहीं हो सकता है। एक पारंपरिक लेजर के लिए, यह एक मानक क्वांटम शोर स्तर तक सीमित है। लेकिन अगर हम लेजर को चरण-निचोड़ प्रकाश स्रोत से बदल देते हैं, तो यह समस्या गायब हो जाएगी, और हम अभूतपूर्व सटीकता के साथ दूरी को मापने में सक्षम होंगे।

आज यह सबसे बड़े गुरुत्वाकर्षण तरंग डिटेक्टरों GEO600 में से एक में किया जाता है, और, सबसे अधिक संभावना है, LISA अंतरिक्ष डिटेक्टर के लिए योजना बनाई गई है। वैसे, जीटी उपयोगकर्ताओं के बीच शेकफ है , जो सिर्फ ऐसा कर रहा है और टिप्पणियों में आपके सवालों का जवाब देने के लिए तैयार है।

सटीक चरण माप। चरण-निचोड़ प्रकाश चरण विपरीत विधि का उपयोग करके माप के लिए उपयोगी हो सकता है, आधुनिक जीव विज्ञान में एक रोजमर्रा की तकनीक।

कैसे उत्पन्न करें?

संपीड़ित प्रकाश बनाना इतना सरल नहीं है। इसके लिए, नॉनलाइनियर ऑप्टिकल प्रक्रियाओं का उपयोग किया जाता है। उंगलियों पर समझाना काफी मुश्किल है, लेकिन मैं एक उदाहरण दूंगा।

कुछ क्रिस्टल में, केर नॉनलाइनरिटी नामक एक प्रभाव देखा जाता है - प्रकाश की तीव्रता पर अपवर्तक सूचकांक की निर्भरता। आइए ऐसे क्रिस्टल को एक लेजर पल्स भेजें। किसी भी नाड़ी के लिए, मोर्चों पर तीव्रता केंद्र की तुलना में कम है - जिसका अर्थ है कि अपवर्तक सूचकांक सबसे दृढ़ता से बदल जाएगा जहां नाड़ी का केंद्र अब है। अपवर्तक सूचकांकों में अंतर इस तथ्य की ओर जाता है कि केंद्र और मोर्चों में लहर का चरण अलग-अलग होता है। इन परिवर्तनों की समग्रता इस तथ्य की ओर ले जाती है कि चरण सामान्य से थोड़ा बेहतर और तीव्रता से परिभाषित हो जाता है - इसके विपरीत, थोड़ा बुरा। हैलो, निचोड़ा हुआ प्रकाश :)।

कैसे करें पता?

संपीड़ित प्रकाश को कई तरीकों से भी मापा जा सकता है।

1. हनबरी ब्राउन-ट्विस योजना।

हनबरी ब्राउन और ट्विस के बारे में एक श्रृंखला में, मैंने कहा कि सहसंबंध फ़ंक्शन जी ⁽²⁾ फोटॉनों की संख्या के वितरण की चौड़ाई से मेल खाती है। प्रकाश के आयाम संपीड़न का मतलब है कि फोटॉनों की संख्या सामान्य से बेहतर निर्धारित की जाती है। इसलिए, शब्द जी ⁽²⁾ के व्यापक अर्थ में एकता से कम है - निचोड़ा हुआ प्रकाश का संकेत।

2. बैलेंस डिटेक्टर। यह एक हनबरी ब्राउन-ट्विस सर्किट की तरह है, लेकिन सहसंबंधों के बजाय, हम या तो दो डायोड से संकेतों को घटाते हैं या जोड़ते हैं (हमारे अनुरोध पर):

एक पारभासी दर्पण प्रत्येक फोटॉन को बेतरतीब ढंग से प्रसारित या प्रतिबिंबित करता है। यह यादृच्छिकता संकेत में अतिरिक्त क्वांटम शोर (जैसे शॉट शोर ) का परिचय देती है । इस तरह के शोर का दो डायोड पर एक अलग संकेत होता है: यदि एक फोटॉन परिलक्षित होता है, तो यह उड़ नहीं जाएगा; यदि यह उड़ता है, तो यह परिलक्षित नहीं होगा।

यदि हम सिग्नल को एक डायोड से दूसरे से घटाते हैं, तो क्वांटम शोर कहीं भी नहीं जाएगा। और अगर हम जोड़ते हैं? फिर शोर गायब हो जाएगा, क्योंकि इसका एक अलग संकेत है। (एक और स्पष्टीकरण: हमने प्रकाश को दो भागों में विभाजित किया, और फिर उन्हें वापस मोड़ दिया - यह, जाहिर है, अतिरिक्त शोर नहीं जोड़ा।)

तो, घटाव हमें एक मानक क्वांटम स्तर के साथ शोर जोड़ता है, और इसके अलावा कुछ भी नहीं बदलता है। यदि अध्ययन किया गया प्रकाश आयाम-निचोड़ा हुआ था (यानी, "नीरव"), तो घटाव इसे अधिक शोर करेगा, और इसके अलावा इसे अपरिवर्तित छोड़ देगा। जोड़ और घटाव के बीच स्विच करना, हम शोर स्तर को माप सकते हैं, और यदि यह अलग है, तो हम आयाम-निचोड़ प्रकाश का निरीक्षण करते हैं।

जोड़ (लाल) और घटाव (नीला) के बाद शोर कुछ इस तरह दिखता है। लाल शोर बहुत कमजोर है और संपीड़ित प्रकाश से मेल खाता है।

3. होमोडिंग। आयाम संपीड़न को मापना आसान है, लेकिन चरण संपीड़न के बारे में क्या? यदि यह दीर्घवृत्त (यानी प्रकाश के चरण) के उन्मुखीकरण को "घुमाने" के लिए संभव है, तो चरण-निचोड़ से प्रकाश आयाम-निचोड़ हो जाएगा। चरण को संदर्भ तरंग के साथ प्रकाश को मिलाकर घुमाया जा सकता है। यह रिसीवर-स्थानीय थरथरानवाला के समान है, केवल स्थानीय थरथरानवाला में संदर्भ और अध्ययन की तरंगों की आवृत्ति अलग है, लेकिन स्थानीय थरथरानवाला में यह (इसलिए नाम) नहीं है।

यहां तक कि होमोडाइन में, आपको संदर्भ तरंग के चरण का चयन करने की आवश्यकता है। इलेक्ट्रॉनिक्स में, यह एक चरण शिफ्टर द्वारा किया जाता है, एक देरी लाइन द्वारा प्रकाशिकी में (बाद में प्रकाश आता है, जितना अधिक चरण चलेगा)। मिश्रण एक ही पारभासी दर्पण पर होता है:

संदर्भ लहर नीचे से आती है। और फिर - वही संतुलित डिटेक्टर।

और दिलचस्प से

अब तक, निचोड़ा हुआ प्रकाश केवल अल्ट्रा-सटीक इंटरफेरोमेट्री में उपयोग किया जाता है। समस्या यह है कि यह अविश्वसनीय रूप से नाजुक है। यह आदर्श आयाम-निचोड़ प्रकाश के उदाहरण से समझना आसान है (फोटॉन फ्लक्स सख्ती से आवधिक है):

प्रकाश के प्रसार में, नुकसान अपरिहार्य हैं, जो हमेशा आकस्मिक होते हैं। इसका मतलब यह है कि फोटोन धारा से यादृच्छिक पर गायब हो जाएंगे:

जैसा कि आप देख सकते हैं, आवधिकता का लगभग कुछ भी नहीं बचा है। साथ ही साथ संपीड़न से। इसलिए, लंबी दूरी पर संचारित करने के लिए संपीड़ित प्रकाश बहुत मुश्किल है।

और अंत में, हनोवर के पास गुरुत्वाकर्षण डिटेक्टर GEO 600 की योजना की प्रशंसा करते हैं:

संपीड़ित प्रकाश का स्रोत एक पीले रंग की पृष्ठभूमि पर है। यह एक nonlinear ऑप्टिकल प्रक्रिया का उपयोग करता है, लेकिन केर nonlinearity नहीं, लेकिन विकिरण के दूसरे हार्मोनिक की पीढ़ी। लाल बिंदीदार रेखा संकुचित प्रकाश है। ऊपर दाईं ओर 600 मीटर के कंधे के साथ एक मिशेलसन इंटरफेरोमीटर है; दर्पणों को भार पर निलंबित किया जाता है जो गुरुत्वाकर्षण तरंगों से दोलन करना चाहिए। इंटरफेरोमीटर से तस्वीर निचले दाएं कोने में फोटोडियोड पर प्राप्त की जाती है। एम। फॉक्स के

स्रोत
। क्वांटम प्रकाशिकी: एक परिचय - ऑक्सफोर्ड यूनिवर्सिटी प्रेस, 2006। विशेषज्ञ टिप्पणियों के
लिए शॅकफ का धन्यवाद । मुक्त

चित्र: केडीपीवी , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6, 7 , 8 , 9 , 10 ।