Магистерская программа N2 - "Физика лазеров и взаимодействие
импульсного оптического излучения с веществом"

Магистерская программа N5 - "Сверхбыстрые процессы в лазерной физике"

Магистерская программа N8 - "Когерентная оптика"

Магистерская программа N9 - "Квантово-статистическая оптика"

Вопросы современной статистической оптики
Проф. И.В.Соколов, 9 семестр, 32 часа

I. Полуклассическая теория естественных флуктуаций в лазере

1. Простая физическая модель лазера: одна волна, однородная линия усиления, открытая схема уровней, уравнения для медленных огибающих поля и поляризации.

2. Физические причины флуктуаций поляризации активного вещества: дробовая случайность возбуждения, квантовые флуктуации поляризации, температура окружения. Временные масштабы случайных и динамических движений на примере газового лазера.

3. Переход от уравнения для поля со случайными источниками к уравнению диффузии для статистического распределения (в зависимости от комплексной амплитуды поля) в ансамбле лазеров.

4. Квантовый расчет коэффициентов диффузии через корреляционную функцию случайного источника для поляризации активной среды в простой двухуровневой модели среды: атомы возбуждены, слабое поле, только поперечная релаксация под действием случайных сбоев фазы.

5. Стационарное статистическое распределение в ансамбле лазеров ниже порога генерации в зависимости от амплитуды поля, от энергии поля (в фотонных единицах). Поправка к полуклассическим коэффициентам диффузии для воспроизведения энергии нулевых колебаний поля в резонаторе лазера.

6. Уравнение диффузии в переменных энергия-фаза в фотонных единицах. Его линеаризация по малым флуктуациям интенсивности выше порога генерации.

7. Принципиальная схема возможного опыта по наблюдению спектра флуктуаций интенсивности лазерной волны. Связь наблюдаемого спектра с парной корреляционной функцией фототока.

8. Дробовые флуктуации фототока в полуклассической картине фотоприема световой волны с постоянной интенсивностью: независимость случайных моментов вылета фотоэлектронов, парная корреляционная функция тока, спектральная мощность дробовой компоненты фототока.

9. Применение уравнения диффузии по энергетической переменной для построения парной корреляционной функции малых флуктуаций интенсивности.

10. Физический анализ наблюдаемого спектра флуктуаций интенсивности лазерного излучения с учетом вклада дробовых флуктуаций. Относительная роль дробовых и избыточных флуктуаций для малых и больших превышений накачки над порогом. Влияние квантовой эффективности приема на отношение сигнала к шуму.

11. Связь формы спектральной линии лазерной волны с парной корреляционной функцией комплексной амплитуды поля. Статистическое построение этой корреляционной функции с помощью уравнения диффузии по фазовой переменной.

12. Форма спектральной линии лазерной генерации с учетом флуктуаций фазы и интенсивности. Ширина линии лазерной генерации, ее оценка для некоторых типов лазеров.

13. Принципиальная схема возможного опыта по наблюдению спектра частотных флуктуаций лазерного излучения. Связь спектральной мощности флуктуаций фототока на выходе частотного детектора с парной корреляционной функцией флуктуаций частоты лазера.

14. Применение уравнения диффузии по фазовой переменной для нахождения парной корреляционной функции флуктуаций частоты лазера и спектра частотных флуктуаций лазерного излучения. Спектральная мощность сигнала на выходе частотного детектора.
 
 

II. Новые квантовые явления в оптике

1. "Расталкивание" актов излучения во времени как квантовое явление. Опыты по антигруппировке фотонов в резонансной флюоресценции. Наблюдение субпуассовской статистики фотонов в резонансной флюоресценции.

2. Когерентное состояние Глаубера. Квадратурные амплитуды световой волны и соотношение неопределенностей для них. Понятие о квантовых сжатых состояниях света.

3. Сжатие стационарной световой волны как амплитудная, фазовая или промежуточная модуляция широкополосным квантовым шумом. Возможность получения фототсчетов с подавленными флуктуациями в зависимости от спектральной полосы сжатия и времени накопления фототсчетов.

4. Генерация света в широкополосном сжатом состоянии при делении частоты накачки в нелинейном кристалле без центра инверсии. Согласование частот, направлений и поляризаций взаимодействующих волн.

5. Опыты по генерации сжатых состояний в нелинейном кристалле без центра инверсии. Экспериментальные признаки сжатия и прямая демонстрация соотношения неопределенностей для квадратурных амплитуд световой волны.

6. Физическая модель регулярного (без дробового шума) возбуждения активной среды лазера. Субпуассоновский лазер как источник света в неклассическом состоянии и неприменимость к нему полуклассического описания.

7. Квантовая феноменологическая теория субпуассоновского лазера с регулярным возбуждением. Средние потоки и случайные источники возбуждений в системе. Подавление дробового шума на низких частотах в спектре флуктуаций фототока.

8. Опыты по наблюдению субпуассоновской генерации полупроводникового лазера.

Литература
[1] Ф.Арекки, М.Скалли, Г.Хакен, В.Вайдлих. Квантовые флуктуации излучения лазера.
М.. Мир, 1974
[2] С.П.Зейгер, Ю.Л.Климонтович, П.С.Ланда, Е.Г.Ларионцев, Э.Е.Фрадкин. Волновые и флуктуационные процессы в лазерах. Под ред. Ю.Л.Климонтовича. М., Наука, 1974
[3] Д.Ф.Смирнов, А.С.Трошин. Новые явления в квантовой оптике: антигруппировка и субпуассоновская статистика фотонов, сжатые состояния. УФН, т.153(2), с.233, 1987
[4] Ю.М.Голубев, И.В.Соколов. Антигруппировка фотонов в источнике когерентного света и подавление шумов фоторегистрации. ЖЭТФ, т.87(8), с.408, 1984
[5] Hans-A. Bachor. A Guide to Experiments in Quantum Optics. New York, Chichester, Brisbane, Singapore, Toronto, WILEY-VCH, 1998