Какое самое продолжительное время было достигнуто при удерживании света в замкнутом объеме?

Какое максимальное время можно было удерживать свет в замкнутом объеме с зеркальными стенками?

Меня больше всего интересуют результаты с пустым объемом, но результаты с твердотельным объемом также могут быть интересны.

В прошлом году я вспомнил, как читал, что ученые смогли зафиксировать свет в кристалле на рекордно долгое время. Быстрый поиск подсказывает, что этот период был рекордной минутой .

Ответы (5)

Описываемая вами установка представляет собой, по сути, оптический резонатор , и вы спрашиваете, каков максимальный срок службы, достигнутый в таком резонаторе.

В этой статье (также описанной здесь ) S. Kuhr et. др. описывают сверхпроводящий резонатор со временем жизни 130 мс. По сути это 2 изогнутых зеркала лицом к лицу. Он работает в микроволнах (51 ГГц), которые имеют большую длину волны (6 мм), и это значительно упрощает изготовление зеркальной гладкости в таком масштабе. Эта полость является одним из ключевых элементов лабораторных экспериментов CQED (Cavity Quantum Electrodynamics).

Я не знаю, является ли он лучшим, но я почти уверен, что это более или менее современное состояние в этой области.

Подождите, удается ли двум изогнутым зеркалам создать стабильные пути для луча? Например, при небольшом отклонении он сглаживается и остается в резонаторе через 1000 отражений. Моя интуиция подсказывает, что нет такой оптики.
Ваша интуиция неверна, практически все, кроме плоскостной полости, можно сделать стабильным.
Ну, не что иное, как планарно-плоский резонатор, но да, большинство оптических резонаторов действительно стабильны. Иногда резонатор может быть намеренно спроектирован так, чтобы он был немного нестабильным для некоторых применений мощных лазеров, но это необычно. По существу, любой лазер на объемной среде будет иметь стабильный резонатор, по крайней мере, с одним изогнутым зеркалом.
Условия стабильности описаны здесь en.wikipedia.org/wiki/Optical_cavity#Stability и рассчитаны здесь en.wikipedia.org/wiki/… .
Великолепная книга на эту тему: Лазеры Энтони Зигмана.
Просто обновление: полость, описанная в этом ответе, является ключевым элементом экспериментов Сержа Ароша (одного из двух лауреатов Нобелевской премии по физике 2012 года).
А белые поверхности? Могут ли они так долго удерживать свет?
@FrédéricGrosshans, как это работает, учитывая, что законы физики обратимы во времени?
@JanDvorak: я не вижу связи с обратимостью времени. Можете ли вы уточнить?
@FrédéricGrosshans, допустим, у вас есть набор зеркал, которые заставляют луч света сходиться в произвольно узкий луч. Теперь тот же набор зеркал должен по-прежнему сводить луч, даже если вы повернете луч (если я не ошибаюсь?). Но отслеживание любого луча света в обратном направлении должно привести к его источнику, находящемуся за пределами области, в которой сходится луч.
@JanDvorak: Я вижу две проблемы с вашими рассуждениями: 1. сохранение света в полости связано с поддержанием постоянной ширины луча, а не схождением или расхождением. 2. Схождение = движение от широкого к узкому. Если перевернуть луч, он превратится из узкого в широкий: он

Мой ответ не сильно отличается от других, но он основан на моем личном опыте. В течение нескольких лет я использую Cavity ring-down spectrosopy (CRDS) - метод измерения очень слабого поглощения света, основанный на построении такого оптического резонатора и размещении внутри него поглощающего образца. Световой импульс будет проходить через образец тысячи раз, что значительно увеличит его поглощение. Для зеркал с высокой отражающей способностью формула, данная Колином К., может быть аппроксимирована как

т 0 знак равно л с ( 1 − р )
Современные зеркала для CRDS в видимом диапазоне могут иметь отражательную способность до 99,999% ( ссылка ), что приводит к времени затухания 167 мю с за л знак равно 0,5 м . За это время свет проходит 50 000 км, а это значит, что он отражается 100 000 раз.

PS: Этот эксперимент проводится в вакууме (ниже 1 мбар). При атмосферном давлении время затухания сокращается до нескольких микросекунд за счет рэлеевского рассеяния (или поглощения частицами пыли).

Время жизни фотона в резонаторе довольно просто вычислить, учитывая длину резонатора, внутренние потери и отражательную способность зеркала. Переходя на мгновение к описанию волны, мы позволим л длина полости, р 1 а также р 2 — отражательная способность зеркал 1 и 3 соответственно, а Т я – потери в резонаторной среде. Ясно, что интенсивность импульса света в резонаторе будет экспоненциально затухать, а время жизни т с (определяется 1 е порог) может быть тривиально вычислено как

т с знак равно − 2 л с п ⁡ [ р 1 р 2 ( 1 − Т я ) 2 ]

Для резонатора в один метр без внутренних потерь и с зеркалами, отражающими 99%, это дает время жизни примерно 330 нс.

Полости гораздо длиннее, а к отражательной способности диэлектрических зеркал можно добавить еще немало «девяток». Например, полость LIGO имеет размер порядка километра, и если мы притворимся, что зеркала отражают на 99,999% (это три девятки после запятой) 1 , мы получим время жизни 0,333 секунды (вау).

Срок службы быстро увеличивается с отражательной способностью зеркала, как только вы превысите 99%, поэтому вы увидите, что если вы повторите этот расчет с р знак равно 99,9999 % , Вы получаете т с знак равно 3.333 секунды. Это абсурдно много времени, но, конечно, эта четвертая цифра «9» после запятой тоже начинает казаться нереальной.

1: Это в значительной степени предположение порядка величины. Я не уверен в точной длине резонатора LIGO, и на самом деле зеркала не обладают высокой отражающей способностью, потому что они выполняют трюк под названием «Повторное использование энергии», который в любом случае продлевает время жизни фотонов. Тем не менее, 99,999% — впечатляющее, хотя и НЕ нереальное число для современного высококачественного диэлектрического зеркала.

Первоначальные полости рукавов LIGO имели длину около 4 км (3995 м). Полости отдельных рук имели зеркала с коэффициентами пропускания мощности T1=3e-2 и T2=10e-6 и временем хранения около 1/(85 Гц). Комбинированная оптическая установка с рециркуляцией энергии имела время хранения около 1/(3 Гц).
А идеальные зеркала? ( Extremetech.com/computing/… )

Время жизни фотона в интерферометрах LIGO составляет около 1 с. Они используют связанные полости, чтобы увеличить время хранения; рукава Майкельсона состоят из полостей Фабри-Перо, а дополнительное зеркало в ярком порту Майкельсона (зеркало рециркуляции энергии) образует с ними сопряженную полость. Длина волны света составляет 1064 нм.

Все эти ответы относятся только к статистическому хранению фотонов в оптическом резонаторе. Вы не могли бы, например, выбрать отдельный фотон, сохранить его на некоторое время, а затем использовать позже. Это тип хранилища, который вам понадобится для квантовых вычислений с фотонами.

Схема интерферометров Advanced LIGO http://www.bssaonline.org/content/99/2B/980/F2.large.jpg

Умный ответ! Я уверен, что ОП не имеет в виду что-то подобное, но это очень интересно и, кроме того, сразу видно, что это правдоподобно: время жизни 1 с подразумевает полость Вопрос -коэффициент 37500, что вполне соответствует передовым оптическим технологиям, используемым в LIGO.

Это должен быть комментарий, но он будет слишком длинным.

редактировать: «Я сказал: я не думаю, что кто-то спроектировал и провел такой эксперимент, поэтому вы можете считать это вызовом и провести его самостоятельно». В этом я ошибался, так как эксперимент описывает Фредерик.

Можно сделать некоторые оценки: отражательная способность будет играть роль. Можно сделать зеркала с высокой отражающей способностью, но некоторое поглощение все равно будет иметь место, а скорость света высока. Даже 10^-5 потерь за удар быстро увеличивают поглощение за секунду. Скорость света 3 * 10 ^ 10 см / сек, поэтому в 10-сантиметровой коробке это много ударов в секунду.

Кроме того, каждое попадание за счет изменения направления фотона будет передавать некоторый импульс атомам/кристаллической решетке поверхности ящика, и, таким образом, будет увеличиваться длина волны, что в конечном итоге сделает его инфракрасным и невидимым. Для этого нужны числа и расчеты, но опять же, из-за большого количества попаданий в секунду я ожидаю, что время, за которое исходные фотоны будут полностью поглощены тем, что является идеальным черным ящиком, будет очень небольшим.

Нет, передача импульса ни на что не повлияет, потому что если фотон передаст какой-то импульс ящику у одной стены, он приобретет такой же импульс, когда отразится от противоположной стены. Суммарный импульс, переданный ящику, будет равен нулю (в отличие от давления). По той же причине газ в ящике не охлаждается сам по себе.
В резонаторной спектроскопии кольца вниз этот принцип используется для высокочувствительных измерений поглощения. Затухание является экспоненциальным (поэтому это не является строго «захватом света») с характерным временем около 100 мю с для видимого света.
@Anixx хм. Если лямда меняется, меняется ню, и это означает, что энергия передается в коробку (E = h * nu). Это не может быть возвращено с противоположной стены. Сохранение энергии так же сильно, как и сохранение импульса.
@gigacyan Тогда вы могли бы дать ответ на вопрос, если у вас есть ссылка или около того, и объяснить, как было выполнено измерение.
Лямбда увеличивается при отражении от одной стены и уменьшается при отражении от другой. Вы забыли, что импульс — это вектор, а не скалярная величина.
@Anixx, и вы забываете, что энергия - это скалярная величина. Энергия, потерянная на одной стене, не может быть получена на другой.
у людей, кажется, странный взгляд на сохранение энергии, если отрицательные голоса согласны с Анниксом в том, что энергия фотона не изменяется, когда его лямбда увеличивается. Я хотел бы увидеть обоснование этого, потому что я твердо верю, что закон сохранения энергии справедлив и для фотонов. Когда он отскакивает от противоположной стены, он меняет направление, но теряет еще одну дельту (E) и еще больше увеличивает длину волны.
Хм, а вы уверены, что длина волны меняется? Я не продумал это до конца, но моя интуиция подсказывает мне, что длина волны должна меняться, если зеркало движется. Амплитуда волны меняется, но почему ее частота?
анна v почему, по-вашему, сохранение энергии означает, что фотон всегда отдает энергию стене? Энергия возвращается к фотону, когда он отскакивает от противоположной стены.
@Alexander Подумайте о диаграммах Фейнмана, некоторые из них будут эластичными, тогда длина волны не изменится, некоторые будут неэластичными, тогда длина волны изменится, и это часть поглощения 1_ .99999. в режиме коллективной волны. В секунду происходит так много ударов, что длина волны будет становиться все больше и больше для тех, которые соответствуют неупругому сечению. Неупругий означает, что энергия теряется в атоме/кристалле/в чем угодно. Это невозможно вернуть.
anna v, пожалуйста, приведите пример любой реальной системы, в которой этот эффект не затмевается поглощением. Или отредактируйте, чтобы было ясно, что вы говорите о потерях энергии стенами, а не о макроскопическом движении коробки.
@zephyr Нет. Когда это неупругое рассеяние, энергия теряется, это не игра в теннис. Число 1-0,99999 для поглощения в цитате, которую я сделал, означает, что в среднем 1 из 10 ^ 5 рассеяний является неэластичным, и есть еще 10 ^ 4 рассеяния в секунду.
Какое самое продолжительное время было достигнуто при удерживании света в замкнутом объеме?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v