Rozdělovač paprsků - Beam splitter - Wikipedia

tento článek potřebuje další citace pro ověření. Prosím pomozte vylepšit tento článek podle přidávání citací ke spolehlivým zdrojům. Zdroj bez zdroje může být napaden a odstraněn. Najít zdroje: "Rozdělovač paprsků"  – zprávy  · noviny  · knihy  · učenec  · JSTOR (Květen 2014) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony)

Schematické znázornění kostky rozdělovače paprsků.
1 - Dopadající světlo
2 - 50% Procházející světlo
3 - 50% odraženého světla
V praxi reflexní vrstva absorbuje určité množství světla.

Rozdělovače paprsků

A rozdělovač paprsků (nebo dělič paprsků^[1]) je optické zařízení který rozděluje paprsek světlo Ve dvě. Je klíčovou součástí mnoha optických experimentálních a měřicích systémů, jako jsou interferometry, také nalézající široké uplatnění v optické vlákno telekomunikace.

Provedení rozdělovače paprsků

Ve své nejběžnější podobě, krychli, je vyrobena ze dvou trojúhelníkových skel hranoly které jsou na základně slepeny polyesterem, epoxid nebo lepidla na bázi uretanu. Tloušťka vrstvy pryskyřice je upravena tak, aby (pro jistotu vlnová délka ) polovina světla dopadajícího přes jeden „port“ (tj. tvář krychle) je odráží a druhá polovina je přenášena kvůli frustrovaný celkový vnitřní odraz. Polarizační děliče paprsků, tak jako Wollastonův hranol, použijte dvojlomný materiály rozdělit světlo na dva paprsky kolmé polarizace státy.

Rozdělovač paprsků potažený hliníkem.

Dalším designem je použití napůl postříbřeného zrcadla. Skládá se z optického substrátu, kterým je často tabule skla nebo plastu, s částečně průhledným tenkým kovovým povlakem. Tenký povlak může být hliník naneseno z hliníku pára používat fyzikální depozice par metoda. Tlouštka nánosu je řízena tak, že se přenáší část (typicky polovina) světla dopadajícího pod úhlem 45 stupňů, které není absorbováno povlakem nebo podkladovým materiálem, a zbytek se odráží. Velmi tenké napůl postříbřené zrcadlo použité v fotografování se často nazývá a zrcadlo pellicle. Pro snížení ztráty světla v důsledku absorpce reflexním povlakem, tzv.švýcarský sýr "Byly použity zrcadla rozdělovače paprsků. Původně to byly plechy z vysoce leštěného kovu perforované otvory, aby se dosáhlo požadovaného poměru odrazu k prostupu. Později byl kov prskal na sklo tak, aby se vytvořil diskontinuální povlak, nebo se malé plochy spojitého povlaku odstranily chemickým nebo mechanickým působením, aby se vytvořil velmi doslova „napůl postříbřený“ povrch.

Místo kovového povlaku, a dichroický optický povlak může být použit. V závislosti na jeho charakteristikách se bude poměr odrazu k propustnosti lišit v závislosti na vlnová délka dopadajícího světla. V některých se používají dichroická zrcadla elipsoidní reflektorové reflektory oddělit nechtěné infračervený (tepelné) záření a jako výstupní vazební členy v laserová konstrukce.

Třetí verze rozdělovače paprsků je a dichroický zrcadlový hranol sestava, která používá dichroický optické povlaky rozdělit příchozí světelný paprsek na několik spektrálně odlišných výstupních paprsků. Takové zařízení bylo použito v barvě tří snímačů televizní kamery a tři pruhy Technicolor filmová kamera. V současné době se používá v moderních kamerách se třemi CCD. Opticky podobný systém se používá v opačném směru jako slučovač paprsků ve třechLCD projektory, ve kterých je světlo ze tří samostatných monochromatických LCD displejů kombinováno do jediného plnobarevného obrazu pro projekci.

Rozdělovače paprsků s jednovidovým vláknem pro Sítě PON k rozdělení paprsku použijte chování v jednom režimu. Rozdělovač se provádí fyzickým spojením dvou vláken „společně“ jako X.

Uspořádání zrcadel nebo hranolů používaných jako přílohy fotoaparátu k fotografii stereoskopický obrazové páry s jednou čočkou a jednou expozicí se někdy nazývají „rozdělovače paprsků“, ale to je nesprávné pojmenování, protože jsou ve skutečnosti dvojicí periskopy přesměrování paprsků světla, které již nejsou shodné. V některých velmi neobvyklých přílohách pro stereoskopickou fotografii mají zrcadla nebo hranolové bloky podobné rozdělovačům paprsků opačnou funkci a překrývají pohledy na předmět ze dvou různých perspektiv prostřednictvím barevných filtrů, které umožňují přímou produkci anaglyph 3D nebo rychle se střídajícími závěrkami pro záznam sekvenční pole 3D video.

Fázový posun

Fázový posun děličem paprsků s dielektrickým povlakem.

Rozdělovače paprsků se někdy používají k překombinování paprsků světla, jako v a Mach – Zehnderův interferometr. V tomto případě existují dva příchozí paprsky a potenciálně dva odchozí paprsky. Ale amplitudy dvou odchozích paprsků jsou součty (komplexních) amplitud vypočítaných z každého z příchozích paprsků a může to vést k tomu, že jeden ze dvou odchozích paprsků má nulovou amplitudu. Aby byla zachována energie (viz další část), musí dojít k fázovému posunu alespoň v jednom z odchozích paprsků. Například pokud polarizovaná světelná vlna ve vzduchu zasáhne a dielektrikum povrch, jako je sklo, a elektrické pole světelné vlny je v rovině povrchu, pak bude mít odražená vlna fázový posun π, zatímco přenášená vlna nebude mít fázový posun. Chování je diktováno Fresnelovy rovnice.^[2]To neplatí pro částečný odraz vodivými (kovovými) povlaky, kde ve všech drahách (odražených a přenášených) dochází k dalším fázovým posunům. V každém případě podrobnosti fázových posunů závisí na typu a geometrii rozdělovače paprsků.

Klasický bezeztrátový dělič paprsků

Pro rozdělovače paprsků se dvěma příchozími paprsky pomocí klasického bezeztrátového děliče paprsků s elektrická pole dopadající na oba jeho vstupy, dvě výstupní pole E_C a E_d jsou lineárně spojeny se vstupy skrz

${ displaystyle { begin {bmatrix} E_ {c} E_ {d} end {bmatrix}} = { begin {bmatrix} r_ {ac} & t_ {bc} t_ {ad} & r_ {bd} end {bmatrix}} { begin {bmatrix} E_ {a} E_ {b} end {bmatrix}},}$

kde prvek 2 × 2 je matice rozdělovače paprsků a r a t jsou odrazivost a propustnost podél určité cesty rozdělovačem paprsků, přičemž tato cesta je označena dolními indexy. (Hodnoty závisí na polarizaci světla.)

Pokud rozdělovač paprsků neodstraní ze světelných paprsků žádnou energii, lze celkovou výstupní energii srovnat s celkovou vstupní energií, odečtením

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

Tento požadavek znamená, že matice rozdělovače paprsků je unitární.

Rozvoj obecné formy 2 × 2 unitární matice. Požadovaná úspora energie přináší vztahy mezi odrazivostí a propustností

${ displaystyle | r_ {ac} | ^ {2} + | t_ {ad} | ^ {2} = | r_ {bd} | ^ {2} + | t_ {bc} | ^ {2} = 1}$

a

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

kde "${ displaystyle ^ { ast}}$"označuje komplexní konjugát. Rozšiřuje se, lze jej zapsat každý." r a t jako komplexní číslo mající amplitudový a fázový faktor; například, ${ displaystyle r_ {ac} = | r_ {ac} | e ^ {i phi _ {ac}}}$. Fázový faktor odpovídá za možné posuny ve fázi paprsku, protože se odráží nebo přenáší na tomto povrchu. Pak se získá

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

Dalším zjednodušením se vztah stává

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

což je pravda, když ${ displaystyle phi _ {ad} - phi _ {bd} + phi _ {bc} - phi _ {ac} = pi}$ a exponenciální člen se sníží na -1. Použitím této nové podmínky a srovnáním obou stran se to stane

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

kde substituce formuláře ${ displaystyle | r_ {ac} | ^ {2} = 1 | t_ {ad} | ^ {2}}$ byly provedeny. To vede k výsledku

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

a podobně,

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

Z toho vyplývá, že ${ displaystyle R ^ {2} + T ^ {2} = 1}$.

Po určení omezení popisujících bezztrátový rozdělovač paprsků lze počáteční výraz přepsat jako

${ displaystyle { begin {bmatrix} E_ {c} E_ {d} end {bmatrix}} = { begin {bmatrix} Re ^ {i phi _ {ac}} & Te ^ {i phi _ {bc}} Te ^ {i phi _ {ad}} & Re ^ {i phi _ {bd}} end {bmatrix}} { begin {bmatrix} E_ {a} E_ {b} end {bmatrix}}.}$^[3]

Použití v experimentech

V obou byly použity rozdělovače paprsků myšlenkové experimenty a skutečné experimenty v oblasti kvantová teorie a teorie relativity a další pole fyzika. Tyto zahrnují:

• The Fizeau experiment z roku 1851 k měření rychlosti světla ve vodě
• The Michelson – Morleyův experiment z roku 1887 k měření účinku (hypotetického) světelný éter na rychlosti světla
• The Hammarův experiment z roku 1935 vyvrátit Dayton Miller Tvrzení o pozitivním výsledku opakování experimentu Michelson-Morley
• The Experiment Kennedy – Thorndike z roku 1932 k testování nezávislosti rychlosti světla a rychlosti měřicího přístroje
• Bell testovací experimenty (od ca. 1972) k prokázání důsledků Kvantové zapletení a vyloučit teorie místních skrytých proměnných
• Wheelerův experiment se zpožděnou volbou z roku 1978, 1984 atd., aby se otestovalo, co způsobuje, že se foton chová jako vlna nebo částice a kdy se to stane
• The FELIX experiment (navržený v roce 2000) k otestování Penrosova interpretace že kvantová superpozice záleží na zakřivení časoprostoru
• The Mach – Zehnderův interferometr, používané v různých experimentech, včetně Tester bomb Elitzur-Vaidman zahrnující bezinterakční měření; a v dalších oblastech oblasti kvantový výpočet

Kvantový mechanický popis

V kvantové mechanice jsou elektrická pole operátory, jak vysvětluje druhá kvantizace. Každý operátor elektrického pole lze dále vyjádřit pomocí režimů (Režim (elektromagnetismus) ) představující vlnové chování a operátory amplitudy, které jsou obvykle reprezentovány bezrozměrnými operátory tvorby a zničení. Proto vztah amplitud ${ displaystyle {E} _ {a}, {E} _ {b}, {E} _ {c}}$, a ${ displaystyle {E} _ {d}}$ je přeložen do vztahu odpovídajících operátorů vytváření ${ displaystyle { hat {a}} _ {a}, { hat {a}} _ {b}, { hat {a}} _ {c}}$, a ${ displaystyle { hat {a}} _ {d}}$

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

Rigorózní derivace je dána.^[4]

Pro dielektrikum Rozdělovač paprsků 50:50, odražené a vysílané paprsky se liší fáze podle ${ displaystyle e ^ { pm i { frac { pi} {2}}} = pm i}$. Za předpokladu, že každý vysílaný paprsek trpí a ${ displaystyle { frac { pi} {2}}}$ fázový posun, vstupní a výstupní pole souvisí:

${ displaystyle { hat {a}} _ {c} = { frac {1} { sqrt {2}}} left ({ hat {a}} _ {a} + i { hat {a }} _ {b} right), quad { hat {a}} _ {d} = { frac {1} { sqrt {2}}} left (i { hat {a}} _ {a} + { hat {a}} _ {b} vpravo).}$

The unitární transformace spojené s touto transformací je

${ displaystyle { hat {U}} = e ^ {i { frac { pi} {4}} vlevo ({ hat {a}} _ {a} ^ { dagger} { hat {a }} _ {b} + { hat {a}} _ {a} { hat {a}} _ {b} ^ { dagger} right)}.}$

Pomocí tohoto unitáře lze také zapsat transformace jako

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

Aplikace pro kvantové výpočty

V roce 2000 Knill, Laflamme a Milburn (Protokol KLM ) prokázal, že je možné vytvořit univerzální kvantový počítač pouze s rozdělovači paprsků, fázovými měniči, fotodetektory a zdroji jednotlivých fotonů. Stavy, které v tomto protokolu tvoří qubit, jsou jednofotonové stavy dvou režimů, tj. Stavy | 01> a | 10> v reprezentaci čísla zaměstnání (Fock stát ) dvou režimů. Pomocí těchto zdrojů je možné implementovat libovolnou bránu qubit a 2-qubit pravděpodobnostní brány. Rozdělovač paprsků je podstatnou součástí tohoto schématu, protože je jediný, který vytváří zapletení mezi Fockovy státy.

Podobná nastavení existují pro kontinuální kvantové zpracování kvantových informací. Ve skutečnosti je možné simulovat libovolně Gaussovy (Bogoliubovovy) transformace kvantového stavu světla pomocí rozdělovačů paprsků, fázových posunovačů a fotodetektorů dva režimy stlačeného vakua jsou k dispozici pouze jako předchozí zdroj (toto nastavení tedy sdílí určité podobnosti s Gaussovým protějškem Protokol KLM ).^[5] Základním kamenem tohoto simulačního postupu je skutečnost, že rozdělovač paprsků je ekvivalentní k mačkání transformace pod částečný obrácení času.

Viz také

• Rozdělovače výkonu a směrové vazební členy

Reference