¿Cuál es el haz de emisión estimulada de mayor longitud de coherencia demostrado?

"Longitud de coherencia" no es necesariamente un término claramente definido. Una fuente de láser puede tener fluctuación de fase pero aún tener una longitud de coherencia muy grande, siempre que la fluctuación de fase sea periódica o muy pequeña. Un láser cuya cavidad tiene una longitud dada fija puede emitir múltiples longitudes de onda correspondientes a diferentes modos longitudinales, dando como resultado lo que parece ser una longitud de coherencia relativamente corta de unos pocos centímetros. Sin embargo, en un interferómetro de dos caminos como un interferómetro Mach-Zehnder, se ve fácilmente que el contraste de franjas (una medida de coherencia) es una función periódica que decae lentamente del doble de la longitud de la cavidad del láser.

Un poco de reflexión revela que la longitud de coherencia absoluta del láser (la diferencia de longitud de la trayectoria en la que el contraste de la franja cae al 50%) realmente depende de la Q de la cavidad: el número medio de veces que un fotón rebota entre los dos espejos de la cavidad antes de atravesar uno de los espejos. Cuanto más tiempo permanece un fotón típico en la cavidad, mayor es la longitud de coherencia absoluta del láser.

La longitud de coherencia de un láser se puede aumentar al menos de dos maneras: aumentando la reflectividad de los espejos de la cavidad (para aumentar la Q) y aumentando la longitud de la cavidad. En la escuela de posgrado participé en un proyecto en el que se construyó un láser con una cavidad de un kilómetro de longitud. (Se usó para monitorear el estiramiento de la superficie de la Tierra). Nunca medimos su longitud de coherencia, pero su Q probablemente era de alrededor de 100, lo que le habría dado una longitud de coherencia del orden de decenas de kilómetros.

Pero si la longitud de coherencia se define en términos de contraste de franjas en un interferómetro con longitudes de trayectoria desiguales, existe otra forma de aumentar la longitud de coherencia: mediante bloqueo de fase. Dos láseres separados se pueden hacer mutuamente coherentes interfiriendo sus haces y ajustando continuamente la longitud de la cavidad de uno de los láseres para mantener una diferencia de fase casi nula entre los dos haces. La frecuencia del par de láseres puede variar, pero la diferencia entre sus frecuencias y sus fases será casi cero.

Si los dos haces provienen del mismo láser, pero en el interferómetro un haz recorre un camino muy largo antes de combinarse con el otro haz, es posible ajustar continuamente la cavidad del láser para mantener una diferencia de fase cero, incluso si hay una deriva lenta o periódica en la frecuencia de emisión del láser. Pero el haz combinado siempre producirá franjas de alto contraste en un interferómetro aguas abajo, siempre que la diferencia de longitud de trayectoria en el segundo interferómetro coincida con la del primer interferómetro.

El haz combinado de dicho láser se comportará como si fuera emitido por un láser cuya longitud de cavidad es igual a la diferencia D entre las dos trayectorias en el primer interferómetro: la coherencia será una función periódica de D que decae lentamente y que puede alargarse a muchas veces D. La tasa de decaimiento de la función periódica depende de qué tan cerca de cero se pueda mantener la diferencia de fase entre los dos caminos (en la práctica, mejor que 0.00001 radianes).

Esto significa que es posible (en principio) hacer un láser cuya longitud de coherencia sea de años luz, en el sentido de que la diferencia de fase entre la luz emitida ahora y la luz emitida hace años por el mismo láser se mantiene en cero. En la práctica, el camino largo en el primer interferómetro puede ser por un tramo enrollado de fibra óptica, siempre que el coeficiente de atenuación sea lo suficientemente pequeño como para que se pueda recibir una señal confiable en el otro extremo de la fibra. El coeficiente de atenuación más bajo de una fibra óptica es de alrededor de 0,22 dB/km, lo que significa que una fibra puede tener una longitud de hasta 100 km y seguir conduciendo una señal fiable. Por lo tanto, se puede lograr fácilmente una longitud de coherencia (según esta definición) de alrededor de 1000 km.

Creo que la longitud de coherencia depende de la potencia que desee de ese láser, el perfil de frecuencia del mismo y la pérdida en su fibra óptica. También puede usar repetidores para aumentar la longitud de coherencia. Por lo general, en la industria del láser para aumentar la longitud de coherencia, las personas usan la rejilla de jactancia. Podría ayudarnos a tener una frecuencia única con una longitud de coherencia larga en el vacío, pero como disminuye significativamente la potencia, no siempre es bienvenido por la industria del láser para las fibras ópticas.

Para la comunicación cuántica a larga distancia es mejor utilizar fuentes de fotones entrelazados. Si quieres saber más sobre la coherencia cuántica echa un vistazo a este artículo y algunas de sus referencias:

https://arxiv.org/abs/0710.1143

Un reloj atómico consta de una fuente como un láser o una fuente de microondas (llamada oscilador local) y una técnica de medición basada en átomos. Por ejemplo, la fuente de láser o microondas se utiliza para estimular una transición en el átomo o en una nube de átomos. Dependiendo de la respuesta atómica, la fuente de láser o microondas se ajusta para mantener el paso con los átomos.

El resultado de todo esto es que la fuente de láser o microondas se vuelve estable en frecuencia en escalas de tiempo largas, es decir, escalas de tiempo más grandes que las requeridas para sondear los átomos. Pero la estabilidad de frecuencia es lo mismo que el tiempo de coherencia que, a su vez, da lugar a la longitud de coherencia. Supongamos, por ejemplo, que el reloj se desplaza un segundo en una hora. Esto significa que su estabilidad de frecuencia relativa es de aproximadamente$3 \times 10^{-4}$y si su frecuencia es$12$GHz, entonces su ancho de línea será$3$MHz y longitud de coherencia 90 metros.

Los mejores relojes atómicos alcanzan actualmente una relativa precisión de orden$10^{-18}$, usando una transición óptica de frecuencia alrededor$10^{15}$Hz. Eso se traduce en un ancho de línea de 1 milihercio y una longitud de coherencia de$3 \times 10^{11}$metros El ancho de línea de un reloj basado en microondas puede ser aún menor (incluso si su precisión relativa no es tan buena).

Se podría objetar que estas longitudes de coherencia muy largas no son exactamente de lo que se trata la pregunta. Pero creo que representan un ejemplo legítimo del concepto de longitud de coherencia. Se puede enviar una señal desde un laboratorio de patrones de frecuencia, una señal como un rayo láser u otra oscilación, de tal manera que dos personas separadas por$10^{11}$Los medidores recibirán oscilaciones con una relación de fase no aleatoria. Podrían, por ejemplo, recombinar sus dos señales enviándolas a un tercero, y el tercero podría observar la interferencia entre las señales. Pero dado que esa es la definición de coherencia, significa que esta es de hecho una forma de coherencia temporal y, por lo tanto, una longitud de coherencia.

Habiendo dicho todo esto, sigo un poco inquieto acerca de si el concepto de longitud de coherencia es realmente el más útil en tales casos. Los cuerpos en órbita en astronomía se mantienen regulares durante millones de años. Esto implica que emiten ondas gravitacionales con una longitud de coherencia del orden de millones de años luz (creo, ¡feliz de ser corregido!)