¿La fase de una onda de luz puede ser medida experimentalmente?

Question

La diferencia de fase se puede medir pero es posible medir la fase instantánea del campo eléctrico en la onda de luz en una posición?

Answer 1

Sí, un clásico de campo (por ejemplo, un gran número de fotones, coherente estado), en principio, la fase puede ser medido en el sentido de que, en principio, puede observar que el eléctrico (magnético) de campo en un punto dado oscila sinusoidalmente con el tiempo y se puede medir en qué momento el campo es cero y cuando alcanza sus valores máximos.

Si usted no cree que esto de la luz, simplemente imaginar el experimento con microondas, o las ondas de radio. Los bucles de enganche de fase han sido sincronización de los circuitos osciladores recepción de ondas de radio para la mejor parte de un centenar de años.

Así que a frecuencias ópticas, la diferencia es una de la tecnología, no la física. Los bucles de enganche de fase óptica ahora existen y se dan cuenta coherente de los esquemas de modulación a través de fibra óptica de enlaces de comunicación.

Si te refieres con tu pregunta la fase de un estado cuántico de la luz, entonces, por supuesto, el estado es un rayo en proyectivos espacio de Hilbert y es invariante con respecto a la multiplicación por una fase global. Sin el sentido de que puede ser, por tanto, dado que el valor absoluto de la fase de un estado cuántico. Las diferencias de fase entre las amplitudes complejas de base de los estados de superposición son significativas, y determinar los efectos de interferencia y la evolución del estado cuántico.

Clásica y cuántica de fase son muy distintas, sin embargo, y no simplemente de mezcla a través de un "principio de correspondencia" en un gran número de fotones límite. Para entender la diferencia entre ellos, y la falta de un "principio de correspondencia", considere la posibilidad de un número de fotones coherentes estado $\psi(\alpha,\,t)$ del oscilador armónico cuántico:

$$\begin{array}{lcl}\psi(\alpha,\,t) &=& e^{-i\,\frac{\hbar}{2}\,\omega_0\,t}\,\exp\left(\alpha\,e^{-i\,\hbar\,\omega_0\,t}\,a^\dagger - \alpha^\ast\,e^{+i\,\hbar\,\omega_0\,t}\,a\right)\,|0\rangle \\&=& e^{-i\,\frac{\hbar}{2}\,\omega_0\,t}\,e^{-\frac{|\alpha|^2}{2}}\,\sum\limits_{k=0}^\infty\,\frac{\alpha^k}{\sqrt{k!}}\,e^{-i\,k\,\hbar\,\omega_0\,t}\,|k\rangle\end{array}\tag{1}$$

que es una superposición de Fock (número de) estados latiendo juntos como su pariente fases oscilan en diferentes frecuencias. Supongamos que medimos el número de fotones con el número observable $\hat{n}=a^\dagger\,a$; su media $\langle\psi|\hat{n}|\psi\rangle$ es constante en $|\alpha|^2$ (de hecho, lo son todos los momentos de la $\langle\psi|\hat{n}^k|\psi\rangle;\,k\in\mathbb{N}$ y calculando, uno puede mostrar que el número de fotones se distribuye Poisson con una media de $|\alpha|^2$). Sin embargo, supongamos que medimos la posición con la posición observable $\hat{x}= \sqrt{\frac{\hbar}{2}\frac{1}{m\omega}}\,(a^\dagger + a)$ o el impulso observables $\hat {p}= i\sqrt{\frac{\hbar}{2}m\omega}\,(a^\dagger - a)$; el medio de estas mediciones $\langle \psi|\hat{x}|\psi\rangle$, $\langle \psi|\hat{p}|\psi\rangle$ son de fase en cuadratura, tiempo armónico de las funciones:

$$ \langle \hat{x}(t) \rangle = |\alpha| \sqrt{\frac{2\,\hbar}{m\,\omega}} \cos (\arg(\alpha) - \omega_0 t)$$ $$ \langle \hat{p}(t) \rangle = |\alpha| \sqrt{\frac{2\,m}{\hbar\,\omega_0}} \sin (\arg(\alpha) - \omega_0 t)\tag{2}$$

y la fase de estas cantidades, es decir, $\arg(\alpha)$, es la clásica fase. Mirad que podemos multiplicar el estado $\psi$ (1) por cualquier salvajemente variables de tiempo de fase cuántica $e^{i\,\varphi(t)}$ le gusta y los resultados de los cálculos anteriores será sin cambios; el quantum de la fase desaparece bajo la multiplicación del estado y su complejo conjugado en el cálculo de $\langle \psi|\hat{X}^k|\psi\rangle$ de cualquier momento de cualquier observable $\hat{X}$. Tenga en cuenta que la clásica fase está perfectamente definido para cualquiera, arbitrariamente pequeño significa número de fotones coherentes estado (es, simplemente, que para $\alpha$ muy pequeño, tendrás muchas mediciones en el mismo estado a la medida, mientras que una sola medición va a hacer por láser del tamaño de los valores de $\alpha$).

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Para la medición de la clásica fase de la luz, véase Emilio Pisanty la respuesta aquí describiendo la correspondiente tecnología experimental en la Física SE subproceso hemos observado directamente la componente eléctrico de las ondas electromagnéticas?.

También, se puede definir un observable para la clásica fase de un estado cuántico, aunque es difícil; un influyente óptica cuántica investigador ha escrito un libro entero sobre el tema:

Stephen M. Barnett & Juan A. Vaccaro, "El Quantum De La Fase De Operador: Una Revisión"

(Stephen M. Barnett, junto con Bruno Huttner, fue una de las primeras personas a trabajar fuera totalmente cuantificadas teoría de la electomagnetic campo en un dieléctrico (en este papel aquí)).

Answer 2

Sí, por supuesto, es posible medir de fase. La holografía obras de la combinación de una fuente de onda con un reflejan la luz de onda y donde la fases del partido (cero grados) la intensidad de la luz es alta (y oscurece el en la película), y donde las fases de desajuste (180 grados) de la intensidad de la luz es mínimo, y la película se queda transparente. Que la imagen del holograma, entonces, captura el reflejo de la luz-fase (y la reconstrucción de la imagen después de esto es posible, por tanto, la iluminación de la película con una copia de esa fuente original de la onda).