Nichtlineare Optik und Quantenoptik
Die nichtlineare Optik befasst sich mit der Reaktion von Materie auf intensives Licht, während die Quantenoptik die diskrete, quantenmechanische Natur des Lichts behandelt; zusammen bilden sie die Grundlage der modernen Photonik.
Definition
Die kombinierte Untersuchung der nichtlinearen optischen Reaktion von Materie auf intensives Licht und der quantisierten, nicht-klassischen Eigenschaften des elektromagnetischen Feldes und seiner Wechselwirkung mit Materie.
Scope
Dieser Bereich kombiniert zwei eng verwandte fortgeschrittene Zweige der Optik. Die nichtlineare Optik untersucht, wie die Polarisation eines Mediums nichtlinear auf starke optische Felder reagiert, wodurch Effekte wie harmonische Erzeugung, Frequenzmischung und intensitätsabhängige Brechung entstehen, die bei geringer Intensität nicht auftreten. Die Quantenoptik untersucht das quantisierte elektromagnetische Feld, das Photon und nicht-klassische Lichtzustände sowie die Quantennatur der Licht-Materie-Wechselwirkung. Der Bereich umfasst die Suszeptibilitäten zweiter und dritter Ordnung und die von ihnen ermöglichten Prozesse, parametrische und Frequenzumwandlungsgeräte, Photonenstatistik sowie gequetschtes und verschränktes Licht und die quantenmechanische Behandlung von Emission und Absorption. Sie liefert die physikalischen Grundlagen für die Laserfrequenzumwandlung, Quanteninformation und Präzisionsmessung.
Sub-topics
Core questions
- Wie wird die optische Reaktion eines Mediums bei hoher Intensität nichtlinear?
- Wie kann Licht einer Frequenz Licht bei neuen Frequenzen erzeugen?
- Was bedeutet es, Licht als quantisierte Photonen zu behandeln?
- Wie unterscheiden sich nicht-klassische Lichtzustände von gewöhnlichem Licht?
Key concepts
- nichtlineare Suszeptibilität
- Erzeugung der zweiten Harmonischen
- parametrische Prozesse
- Phasenanpassung
- Photon
- kohärente und gequetschte Zustände
- Photonenstatistik
- verschränkte Photonen
Key theories
- Nichtlineare optische Suszeptibilität
- Bei hoher Intensität enthält die induzierte Polarisation eines Mediums Terme, die proportional zu höheren Potenzen des Feldes sind, wobei Suszeptibilitäten zweiter und dritter Ordnung zur Erzeugung von Harmonischen, Frequenzmischung und intensitätsabhängiger Brechung führen.
- Quantisierung des elektromagnetischen Feldes
- Die Behandlung jedes Modus des Feldes als quantenmechanischer harmonischer Oszillator führt zu Photonen und einer Hierarchie von Zuständen, einschließlich kohärenter, Zahlen-, gequetschter und verschränkter Zustände ohne klassisches Gegenstück.
Clinical relevance
Nichtlineare optische Prozesse ermöglichen die Multiphotonen- und Zweitharmonischen-Mikroskopie, die lebendes Gewebe mit intrinsischem Kontrast und tiefer Penetration abbildet, und sie liefern die grünen und anderen Wellenlängen frequenzkonvertierter chirurgischer und ophthalmologischer Laser; quantenoptische Methoden versprechen eine verbesserte Empfindlichkeit bei der Bildgebung und Sensorik.
History
Die nichtlineare Optik begann 1961, als Franken und Kollegen kurz nach der Verfügbarkeit intensiven kohärenten Lichts durch den Laser die Erzeugung der zweiten Harmonischen beobachteten und Bloembergen ihren theoretischen Rahmen entwickelte. Parallel dazu begründeten die Hanbury Brown- und Twiss-Experimente der 1950er Jahre und Glauber's Quantentheorie der optischen Kohärenz im Jahr 1963 die Quantenoptik.
Key figures
- Nicolaas Bloembergen
- Peter Franken
- Roy J. Glauber
- Robert Hanbury Brown
Related topics
Seminal works
- boyd2020
- loudon2000
Frequently asked questions
- Warum erfordern nichtlineare Effekte einen Laser?
- Nichtlineare Reaktionen nehmen mit der Feldstärke zu und sind bei alltäglichen Intensitäten vernachlässigbar; nur die intensiven, kohärenten Felder von Lasern treiben die Polarisations-Terme höherer Ordnung stark genug an, um Effekte wie die Erzeugung von Harmonischen zu beobachten.
- Was ist ein Photon in der Quantenoptik?
- Ein Photon ist ein einzelnes Anregungsquant eines Modus des elektromagnetischen Feldes; die Quantenoptik beschreibt Licht in Bezug auf diese Quanten und die speziellen Zustände, die sie bilden können, welche die klassische Wellenoptik nicht erfassen kann.