噪聲擠壓

在非線性動力學等非平衡態體系中，環境的隨機擾動在相空間內呈現非均分布，其同相分量漲落被壓縮，正交分量漲落膨脹。該效應被稱為擠壓效應。

基本介紹

• 中文名：噪聲擠壓效應
• 外文名：squeezing effect
  noise squeezing
• 適用領域：非線性動力學，光學，量子，通信，感測
• 所屬學科：物理+數學

定義

在非線性動力學等非平衡態體系中，環境的隨機擾動（這裡等效於漲落，fluctuation；或者噪聲，noise）在相空間內呈現非均分布，其同相分量（in-phase）漲落被壓縮，正交分量（quadrature）漲落膨脹。該效應被稱為擠壓效應（squeezing Effect）。

性質

當動力學體系線上性區域時，其頻率回響為對稱的洛倫茲線型，振幅強度較弱，噪音在相空間內同相x1分量和正交x2分量具有幾乎等量的分布，如圖1（a）。當動力學體系被驅動在非線性區域時，其振幅強度增加，信噪比得到提升，噪音在相空間內同相x1分量漲落被壓縮，正交x2分量漲落膨脹，如圖1（b）所示，該效應被稱為噪聲擠壓效應（Noise Squeezing Effect）。該效應可以通過轉移觀測量的一部分擾動到其共軛量上（如位置與速度），從而實現信噪比的提升。人們主要通過體系在隨機擾動下相空間中的分布來研究擠壓效應，但這種方法通常要求極端的實驗條件，比如極低溫、超真空、超高穩定性等，因此在普通環境中非常難以實現。

圖1. 噪聲相空間分布，(a) 線性 (b) 非線性體系。

通常對於杜芬非線性系統，杜芬振子在雙穩態區間具有兩個穩態解，以及一個非穩態解。當系統處於雙穩態區間時，系統的兩個穩態解會受到熱擾動（熱噪聲）的影響，圍繞著理論解做微小振盪，並具有一定的振盪頻率，這個頻率通常較低，在百赫茲至數千赫茲範圍內。該頻率回響會被非線性系統混頻到高頻區間，在頻譜回響中觀察，其會對稱的分布於激勵頻率的左右兩側，對應的頻率值為，這是典型的噪聲擠壓效應的頻譜特性。

圖2. 噪聲邊帶示意圖。

對於噪聲擠壓效應在非線性體系中的頻譜回響，通常被稱為：噪聲邊帶（noise sideband），如圖2.所示。不引入額外噪聲的情況下在頻譜回響中檢測到的該邊帶則稱為：熱噪聲邊帶（thermal noise sideband），這通常需要具有高品質因數（即低阻尼係數）的非線性體系。通過在頻段（通常小於數kHz）對系統引入周期性微小擾動，即可在頻率位置形成受參量調製的反諧振邊帶，如圖3.所示。通過對熱噪聲邊帶和反諧振邊帶的數學處理，均可以對噪聲擠壓效應進行量化描述。

圖3. 反諧振邊帶示意圖。

套用

這一概念廣泛存在於各類非線性動力學體系，如振動力學，光學等，並被套用於雷射，量子，通信，微機電系統及納機電系統諧振器、感測等領域。