Megjelent az Élet és Tudomány 1999/49.számában

Kvantumfizika:
Torzításmentes nagyítás

Amikor egy képet egyre jobban felnagyítunk, az egyre szemcséssé válik, végül teljesen szétesik. Általában ugyanez történik más gyenge jelek felerősítésekor is: az erősítés során a jelre „ráülő” zaj eleinte torzítja, majd teljesen elmossa az eredeti mintát.
Az illinoisi Northwestern Egyetem kutatóinak nemrég kidolgozott „zajmentes” képerősítő eljárása azonban nem rontja az eredeti kép minőségét, s valószínűleg számos területen sikerrel alkalmazható majd.
Időben változó jelek torzításmentes erősítését már a kilencvenes évek elején sikerült megoldani. Képekre, vagy ami lényegét tekintve ugyanaz: térben változó jelekre azonban eddig nem volt hasonló eljárás. Prem Kumar és munkatársai a Northwestern Egyetemen most az úgynevezett parametrikus optikai erősítést vetették be a cél érdekében. Az eljárás egy különleges kristályon, a kálium-titanil-foszfáton alapul, amelyben megfelelő hullámhosszú zöld lézerfény fotonjai infravörös fotonpárokat keltenek. A keltett infravörös fotonok fázisa véletlenszerű, ám egy-egy páron belül a fázisok átlaga éppen megegyezik az őket keltő foton fázisával, mégpedig oly módon, hogy ahhoz viszonyítva az egyik infravörös foton fázisa éppen annyival „siet”, mint amennyivel a másiké „késik”.

A kanadai Montara tengerpartjának egy részlete.
A repülőgépen elhelyezett lézerradarral készült kép az új módszerrel „feljavítható”

A módszer infravörös jelek felerősítésére alkalmas. Ha ugyanis a kristályba egyidejűleg zöld („pumpáló”) lézerfény és infravörös jel érkezik, az infravörös nyaláb a zöld fotonokat még további infravörös fotonpárok keltésére ösztönzi („stimulálja”), azokon felül, amit a nyaláb egyébként önmagában létrehozna. A helyzet némileg a lézer működésére emlékeztet.
A lézer az indukált emisszió jelenségén alapul. Működéséhez a lézeranyag atomjait olyan természetellenes állapotba kell „felpumpálni”, amelyben sokkal több magasabb energiájú, gerjesztett atom van, mint alapállapotú: Ilyen állapot normális földi körülmények között magától sosem alakul ki. Az így felpumpált rendszerben a gerjesztési energiával megegyező energiájú fotonok indukált emissziót váltanak ki, azaz önmagukkal koherens és azonos frekvenciájú fotonok lavináját keltik. A kálium-titanil-foszfát kristályban végbemenő folyamat ehhez nagyon hasonló, amennyiben „indukált emissziónak” a jellel ösztönzött, „spontánnak” pedig a jel nélküli (nem stimulált) párkeltést tekintjük. A különbség az, hogy itt a „spontán” párok fázisa sem teljesen véletlenszerű, hanem az átlaguk a keltő lézerfényével koherens.
A kutatók az infravörös nyalábot egy kettős résen engedték át: a keletkező interferenciakép volt a felerősítendő jel. Ha az infravörös nyalábot kibocsátó lézer fázisa nincs szinkronban a pumpáló nyalábbal, akkor a spontán keltett fotonpárok interferenciája a stimulált párokkal rontja az infravörös kép minőségét. Ám ha az infravörös és a zöld lézer fázisát szinkronizálják, akkor a spontán keltett és a stimulált fotonpárok fázisa a jellel szinkronba kerül, és az interferencia erősíti a jelet. Kumar és munkatársai a kép több pontjában megmérték a jel/zaj viszonyt először erősítés nélkül, majd erősítéssel, és azt találták, hogy annak értéke nem függ sem a képpont helyzetétől, sem az erősítés mértékétől, a felerősített jel tehát nem torzult el az eredetihez képest.
Mint Kumar elmondta, a kísérlet sikere nagyon érzékenyen függ a jelet kibocsátó és a pumpáló lézer fázisának szinkronizálásától: a módszer tehát csak koherens jelek erősítésére használható, és alkalmatlan például csillagfény vagy más inkoherens fényforrás által létrehozott képek nagyítására. Használható viszont például lézerradarok, vagy az orvosi diagnosztikában újabban kifejlesztett lézeres képalkotó berendezések jeleinek erősítésére.

Forrás: Phys. Rev. Lett. 83, 1938