Глава 20. ЛИНЕЙНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ СВЕТА
20.1. Введение
Как мы увидели в гл. 18 и 19, действие лазера является результатом объединения усилителя света с оптическим резонатором и источником накачки. Заметим, что описание усилителя света уже содержится в гл. 18 и 19. Однако, в лазере существенную роль играют эффекты насыщения и нелинейности, тогда как в линейном усилителе света они отсутствуют по определению. Таким образом, удобно рассмотреть линейный усилитель света отдельно, для того, чтобы сосредоточить внимание на его отличительных свойствах.
Иногда утверждается, что усилитель света, помещенный в плечо интерферометра, потенциально способен нарушить принцип неопределенности, поскольку он позволяет регистрировать путь фотона, пока имеет место интерференция. Рассмотрим интерферометр Маха — Цендера, показанный на рис. 20.1, который содержит линейный усилитель света в каждом плече, заканчивающимся делителем пучка и детектором. Предположим, что на вход интерферометра поступает фотон. Поскольку свет, выходящий из усилителя света, когерентен свету на входе, может показаться, что на выходе интерферометра должны наблюдаться интерференционные полосы, даже когда детектор А или детектор В указывают путь, по которому фотон прошел через интерферометр. Это, конечно, нарушило бы принцип, утверждающий, что интерференция всегда связана с внутренней неопределенностью этих двух путей. Однако приведенное рассуждение ошибочно: ошибка связана с игнорированием спонтанного излучения, выходящего из усилителя света. Данная проблема была точно проанализирована Глаубером (Glauber, 1986). Именно вследствие спонтанного излучения не существует линейного усилителя, способного точно клонировать падающий фотон, что было показано ранее исходя из довольно общих соображений (Wooters and Zurek, 1982; Mandel, 1983).
Рис. 20.1. Интерферометр Маха — Цендера, каждое плечо которого содержит усилитель света, что позволяет определить путь фотона по показаниям детекторов А или В на выходе
В настоящей главе мы сосредоточимся на простейшем типе усилителя, состоящего из частично инвертированных двухуровневых атомов, которые фактически находятся в одинаковом оптическом поле. Предполагается, что инверсия населенностей поддерживается некоторой системой оптической накачки, так что она ведет себя подобно резервуару. Мы рассмотрим, как усилитель реагирует на различные виды падающего поля, находящегося как в классических, так и неклассических состояниях, и обнаружим, что по мере возрастания коэффициента усиления свет теряет свои неклассические свойства (Friberg and Mandel 1983, 1984; Hong, Friberg and Mandel, 1985). Довольно общее рассмотрение флуктуаций в линейном усилителе, которое охватывает как чувствительные, так и нечувствительные к фазе ситуации, было сделано в работе (Caves, 1982).
