Преодоление дифракционного предела методами нелинейной оптики.

[Gleb1964]

как инструмент будущего, хоть с чем его скрестите, компьютером или лазером, или еще чем

Между тем, это уже вопрос не только теоретических изысканий, но и экспериментов.
Вот, пожалуйста - преодоление дифракционного предела методами нелинейной оптики - с помощью клонирования фотонов, тем же методом, что работает при лазерном усилении пучка, то бишь, оптический телескоп, скрещенный с лазером.
Ссылка на эксперимент https://phweb.technion.ac.il/~eribak/GumpelRibakOpticalAmplificationForAstronomicalImagingAtHigherResolution.pdf
и еще ссылка на более глубокую теоретическую часть https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2014/01/aa22665-13.pdf



И не путать с разными "обходными" методами-уловками для преодоления диф.предела - в данном случае он действительно преодолен для произвольного пространственно-протяженного объекта. Детектирование клонированных на входной апертуре фотонов (квантово-запутанных фотонов) позволяет извлекать из фотона в \(  \sqrt {N}  \) больше информации, где \(  N  \) - фактор клонирования запутанных фотонов. Дифракционный диск, как бы, мультиплицируется на фактор  \(  \sqrt {N}  \) и становится "острее", апертура пропускает более высокие пространственные частоты до точки отсечения, нежели обусловленные классическим дифракционным пределом. На протяженном пространственном объекте выявляется структура за пределом классического дифракционного предела.
Интересно, что в классической, линейной оптике, дифракционный предел остается фундаментальным и незыблемым.     

[diant]

Между тем, это уже вопрос не только теоретических изысканий, но и экспериментов.

Олег, огромное спасибо! Замечательный материал. Жадно глотаю его, но пока не все понятно.
Первый вопрос по ходу: там нет опечатки в первой статье на стр 2 - вместо "ten seconds" не следует ли читать "ten milliseconds"?
И конечно, очень интересны эти широкополосные усилители. Сам когда-то ставил похожие эксперименты, но в качестве усилителей использоваль урановое стекло.

[Gleb1964]

Первый вопрос по ходу: там нет опечатки в первой статье на стр 2 - вместо "ten seconds" не следует ли читать "ten milliseconds"?

Все правильно, 10 секунд. Затвор отркрывали и закрывали с периодом, который короче характерного времени нестабильности накачки, график стабильности лазерной накачки приведен в конце 3-й страницы и занимает отрезок времени продолжительностью 5 часов. Там же увеличенный график от 100-й до 400-й минуты, где была самая стабильная накачка.



За все надо платить, в данном методе расплата заключается в необходимости работать в режиме единичных фотонов. Но, такие световые потоки, как раз характерны для слабых астрономических объектов. Другая расплата - много шумовых фотонов, генерируемых лазерным усилителем при усилении спонтанно излученных фотонов. Как раз, чтобы набрать статистику по шуму и объекту с шумом и вычесть шум из объекта, для этого и требуется модуляция объекта затвором и длительное накопление кадровой статистики для подавления шума.
Небольшой размер апертуры установки не должен смущать, ее можно оптически сопрячь с телескопной апертурой любого размера, как, примеру окуляр сопрягает входную апертуру со зрачком глаза наблюдателя.

[diant]

Олег, очень поверхностно пока пробежался (увы, занят другой работой) и далеко не все понятно в этой статье. Многое непонятно.
Но вот читаю: "The acquisition algorithm consists of capturing a 10 ms image, blocking the beam and capturing another 10 ms image."
Вот это 10-мс блокирование луча от источника и 10-сек работа затвора - тут все согласуется?

Было бы конечно очень здорово прочитать более простое разъяснения их эксперимента. Пока с ходу их идеи осилить трудно.
Первая же фраза, на которой затыкаюсь - "we narrow the observation band by temporal modulation of the incoming light".
Что бы это значило?

Боюсь, это кроме меня и вас никому тут не интересно. Может быть нам уйти в личку?

PS. Да, и еще вопрос. Насколько широполосны могут быть эти усилители? В статье полуширина около 70 нм. Можно ли сделать 100 или даже 200 нм?
На каких красителях они их делают?
Их эффективность зависит от характерного времени релаксации красителя в матрице. Или это не так? И играет роль только мощность накачки?

[Boris Green]

Боюсь, это кроме меня и вас никому тут не интересно.

Мне тоже интересно, но из базиса - только курс физики ЯГТУ.

[ysdanko]

то бишь, оптический телескоп, скрещенный с лазером

А в чем новизна? Еще в начале 70х уже были и микроскопы и проекторы одним из элементов которых были квантовые усилители...
Не имеем ли мы в этом случае аналог ситуации, когда утверждали о распространении лазерного пучка со скоростью, превышающую скорость света, скромно умалчивая о том, что скорость бывает, как фазовая, так и групповая...

[Gleb1964]

Олег, очень поверхностно пока пробежался (увы, занят другой работой) и далеко не все понятно в этой статье. Многое непонятно.
Но вот читаю: "The acquisition algorithm consists of capturing a 10 ms image, blocking the beam and capturing another 10 ms image."
Вот это 10-мс блокирование луча от источника и 10-сек работа затвора - тут все согласуется?

Было бы конечно очень здорово прочитать более простое разъяснения их эксперимента. Пока с ходу их идеи осилить трудно.
Первая же фраза, на которой затыкаюсь - "we narrow the observation band by temporal modulation of the incoming light".
Что бы это значило?

Боюсь, это кроме меня и вас никому тут не интересно. Может быть нам уйти в личку?

PS. Да, и еще вопрос. Насколько широполосны могут быть эти усилители? В статье полуширина около 70 нм. Можно ли сделать 100 или даже 200 нм?
На каких красителях они их делают?
Их эффективность зависит от характерного времени релаксации красителя в матрице. Или это не так? И играет роль только мощность накачки?

Меня, все же, правильно звать Глеб. Но, в жизни, бывает, люди меняют на Олег, видимо, созвучно.
"we narrow the observation band by temporal modulation of the incoming light" - физически означает, что они модулируют источник во времени, чтобы выделить его от шума.
Кроме нас это многим интересно, хотя, как я и ожидал, тема создавалась автором не для данного наполнения, а имелись амбиции на:

имею чертежи телескопа будущего, и даже довелось наблюдать в одну из его линейных окуляров.  Этому телескопу ничего не мешает, и он поразит мир.

Так, что нам можно попросить модератов отделить наше обсуждение в другую тему
 

[diant]

Так, что нам можно попросить модератов отделить наше обсуждение в другую тему

Ага, да и у меня была такая мысль.
Предлагаю даже ее возможное название - "Усиление слабых астрономических сигналов накачкой оптически-активных сред".
В статьях вроде эти среды ограничены орг. красителями в отверждаемых растворителях, но мне кажется, можно не зауживать тему.
И пока подожду с вопросами, чтобы в этой ветке кучу не создавать.

PS. Глеб, простите. Да, все примерно так. И потом пишу урывками, переключаясь с другой работы, виноват.
Самого также одно время звали часто не Антоном, а Максимом. Я все никак не мог понять, почему. Но вообще говоря, в 21-22 года я похоронил своего лучшего институтского друга, его звали Максим. Тогда и началось. Но сейчас уже так не зовут.

[diant]

Судя по всему модераторы сюда не заглядывают, поэтому придется писать здесь.

Глеб, я прочитал сегодня их статью внимательнее. Некоторые вопросы снимаются, но некоторые остаются.
Про их модуляцию с периодом 10-сек пока не вполне понятно. И про выделение сигнала от шума не совсем ясно.
Я попробую выразить своими словами, чего думаю, вы меня подправьте, пожалуйста, если ошибаюсь.

Итак, они пишут, что алгоритм съемки был таким: 10мс image, потом закрывают затвор в луче и 10мс снимают спонтанный сигнал накачанного SSDA.
Затвор закрывали с 10-сек периодичностью. Выходит у них скважность была 1:1000 - так что ли?

Правильно ли я понимаю, что 1-й из этих кадров суммировался с суммой Image+SSDA(total), 2-й - с контрольной суммой SSDA(total), которую потом  вычитали из первой?

Гуляние мощности накачки (читай уровень фонового сигнала от SSDA) они как раз и нивелировали 10-сек чередованием съемки кадров (объект+SSDA)/(SSDA) - верно? То есть два таких смежных кадра должны иметь примерно одинаковый уровень спонтанного сигнала SSDA?

По ходу еще вопрос:
"Recall that as the lifetime of the excited state according to this spectrum is ~2‧10-14 s..."
Как это они так лихо по спектру оценили время жизни 1-го синглетного уровня? Да и потом, что-то это не похоже на реальные времена жизни S1 состояния у орг. красителей. М.б. в матрице оно становится таким коротким?.... Но все равно странно, всего 20 фемтосекунд. Думается, что пикосекунды там более реальны, а то и нано.

[ysdanko]

Детектирование клонированных на входной апертуре фотонов (квантово-запутанных фотонов

Ну если речь о запутанных фотонах, то и телескопа не потребуется. Здесь совсем не далеко и до телепортации 

[ekvi]

поэтому придется писать здесь

Лет 10 назад В.Ю. Теребиж говорил об увеличении разрешающей способности оптики путём использования статистики фотонов (неопределённости Гейзенберга). Такой подход правомерен, если фотоны интерпретировать как частицы (= световые лучи-стрелы), бомбардирующие светоприёмную матрицу и образующие на ней пятно рассеяния (кружок Эйри).
Для инженерного решения этой проблемы придётся в телескопе выделять отдельные фотоны, локализовать их на фотоприёмнике и решать принцип неопределённости, программно (по проводам) обгоняя фотоны (?!).

то и телескопа не потребуется. Здесь совсем не далеко и до телепортации

Можно ограничиться объёмным фотоприёмником (= голограмме) с линейными размерами, равными апертуре Т_Скопа.

На днях на сайте www.koob.ru появилась своевременная статья П.В. Путинихина, разъясняющая понятие "спутанность фотонов": https://www.koob.ru/putenikhin_p/kak_rasputat
Из неё следует, что определение "сцепленность" в данном случае лучше подходит. Статья подсказывает и алгоритм использования явления "спутанности фотонов".  Выделяются "спутанные фотоны", определяется минимальный угол рассеяния между выделенными парами - этот угол и будет определять наивысшую разрешающую способность.

[Pluto]

Комментарий администратора

Отделено от темы 'телескопы будущего'

[Gleb1964]

Спасибо. Я бы даже плюсанул за отдельную тему, но не смогу пока 72 часа не прошло. 
Название, только поправить бы, типа: Преодоление дифракционного предела методами нелинейной оптики.

[Gleb1964]

По ходу еще вопрос:
"Recall that as the lifetime of the excited state according to this spectrum is ~2‧10-14 s..."
Как это они так лихо по спектру оценили время жизни 1-го синглетного уровня?

Так напрямую же и считается, по ширине полосы люминисценции. Вот, беру их график из статьи и считаю:

[diant]

Так напрямую же и считается, по ширине полосы люминисценции. Вот, беру их график из статьи и считаю:

Да, этот способ понятен, но это орг. краситель, да еще в твердой матрице. Это же не релаксация водорода в космической среде, здесь уширение вызывается сразу двумя причинами: (1) целым веером колебательно и вращательно возбужденных подуровней как S1 так и S0 и (2) локальным воздействием матрицы (как и в случае сильного уширения полос в обычных силикатных оптич. стеклах, допированные оксидами переходных элементов и даже лантаноидов с переходами на внутренних недостроенных орбиталях).

Они вообще-то пишут про "lifetime of the excited state", вроде не про время когерренции...

Впрочем этот вопрос мне не так важен, Глеб. Очень просил бы вас прокомментировать мои мысли в прошлом посте о методике эксперимента. Там - более серьезные непонятки, а хочется этих ребят понять до конца.

[ekvi]

Так напрямую же и считается

По оценкам авторов разрешение им удалось поднять на 19%, а информативность в (1.19)² = 1.42 раз.
Того же можно достичь, применив ЦЭ ~ 0.4: см. Г.М. Попов "Современная астрооптика", 1988, с. 25, Табл.1.8.

[Gleb1964]

По оценкам авторов, им удалось продвинуть разрешение за предел, определяемый дифракцией, а это невозможно сделать никакой аподизацией апертуры.
Вот график контрастной модуляции тест объекта, сравнивающий контраст без и с использованием лазерного усиления, на нем видно не только подъем контраста на предельных частотах, но и сама точка отсечения отодвинулась в сторону высоких частот.
Напоминаю - точка отсечения на графике ЧКХ соответствует частоте \(  D/ \lambda \) и одна и та же для любых аподизаций апертуры. Сдвинуть ее в линейной оптике можно лишь увеличением диаметра апертуры.
Сравните - для обычной, неаподизированной апертуры, критерий Релея дает \( D/ 1.22\lambda  \), хотя самые высокие частоты в изображении имею частоту в 1.22 раза выше - \(  D/ \lambda \), это частота дифракционных колец вокруг центрального диска Эри.
 


Вот так выглядит эффект центрального экранирования - точка отсечения не сдвигается:



PS: сверился с литературой и поправил коэффициенты

[nitar]

Напоминаю - точка отсечения на графике ЧКХ соответствует частоте \(  2D/ \lambda \) и одна и та же для любых аподизаций апертуры. Сдвинуть ее в линейной оптике можно лишь увеличением диаметра апертуры.

Критерий Реллея он же условный. Эмпирический критерий приблизительно на 20% выше. Контраст теоретически на " 2D/ (lambda)" не падает до нуля , а начинает катастрофически уменьшаться, но до нуля не доходит. Вполне логично, что аподизация повышает контраст на предельных частотах и немного повышает разрешающую способность. Волосов в Фотографической оптике (1978 год, стр.264) цитирует мнение А. Марешаля о возможном выигрыше в разрешении 25% от аподизации.

[kryptonik]

Чтобы торговаться за проценты, критерий Релея надо очень строго определить. Это не фундаментальная величина, а нечто слегка вероятностное, размытое.
Практического выхлопа скорее всего не будет, мало разрешения на какой-то волне, надо переходить на более короткие. Но тут атмосфера. И теория с практикой расходятся абсолютно: по теории УФ дает самое высокое разрешение, а на практике ИК в подаляющем большинстве случаев.
Так что наращиваем апертурку, хитрости не пройдут.

[Gleb1964]

Критерий Реллея он же условный. Эмпирический критерий приблизительно на 20% выше. Контраст теоретически на " 2D/ (lambda)" не падает до нуля , а начинает катастрофически уменьшаться, но до нуля не доходит.

Прошу прощения за лишнюю 2, частота отсечения должна быть \( D / \lambda \),  величина \( 2D / \lambda \) это разрешение звездного интерферометра с условием сдвига на полпериода.
Так вот, по существу - частота отсечения  \( D / \lambda \) это предельная частота, за которой дальше следует абсолютный математический ноль. Ничего там не тянется, по крайней мере в монохроме, на длине волны  \( \lambda \). Если же взять полихром (диапазон длин волн), то абсолютный ноль наступит после наступления предела  \( D / \lambda \) самой длинной волны диапазона.
Аподизация апертуры не сдвигает частоту отсечения, это же на всех графиках видно, даже на приведенных Вами.

Чтобы торговаться за проценты, критерий Релея надо очень строго определить.

По поводу критерия Релея - я его просто для масштаба привел. Можно и другие критерии вдоль шкалы частот расставить.