اپتیک غیرخطی و کوانتومی

اپتیک غیرخطی به پاسخ ماده به نور شدید می‌پردازد، در حالی که اپتیک کوانتومی به ماهیت گسسته و کوانتومی نور می‌پردازد؛ این دو با هم فوتونیک مدرن را هدایت می‌کنند.

Definition

مطالعه ترکیبی پاسخ نوری غیرخطی ماده به نور شدید و خواص کوانتیده و غیرکلاسیک میدان الکترومغناطیسی و برهم‌کنش آن با ماده.

Scope

این حوزه دو شاخه پیشرفته و نزدیک به هم از اپتیک را ترکیب می‌کند. اپتیک غیرخطی به بررسی چگونگی پاسخ غیرخطی قطبش یک محیط به میدان‌های نوری قوی می‌پردازد که منجر به ایجاد اثراتی مانند تولید هارمونیک، ترکیب فرکانس، و شکست وابسته به شدت می‌شود که در شدت‌های پایین وجود ندارند. اپتیک کوانتومی به بررسی میدان الکترومغناطیسی کوانتیده، فوتون، و حالت‌های غیرکلاسیک نور، همراه با ماهیت کوانتومی برهم‌کنش نور و ماده می‌پردازد. این حوزه شامل حساسیت‌های غیرخطی مرتبه دوم و سوم و فرآیندهایی که آن‌ها را امکان‌پذیر می‌سازند، دستگاه‌های پارامتری و تبدیل فرکانس، آمار فوتون و نور فشرده و درهم‌تنیده، و بررسی کوانتومی گسیل و جذب می‌شود. این حوزه فیزیک پشت تبدیل فرکانس لیزر، اطلاعات کوانتومی، و اندازه‌گیری دقیق را فراهم می‌کند.

Sub-topics

• تولید هارمونیک و تبدیل فرکانس
• برهم‌کنش نور و ماده و فوتون‌ها
• فرایندهای نوری غیرخطی
• حالت‌های کوانتومی نور

Core questions

• چگونه پاسخ نوری یک محیط در شدت بالا غیرخطی می‌شود؟
• چگونه نور با یک فرکانس می‌تواند نور با فرکانس‌های جدید تولید کند؟
• معنای در نظر گرفتن نور به عنوان فوتون‌های کوانتیده چیست؟
• حالت‌های غیرکلاسیک نور چه تفاوتی با نور معمولی دارند؟

Key concepts

• حساسیت غیرخطی
• تولید هارمونیک دوم
• فرآیندهای پارامتری
• تطبیق فاز
• فوتون
• حالت‌های همدوس و فشرده
• آمار فوتون
• فوتون‌های درهم‌تنیده

Key theories

حساسیت نوری غیرخطی

در شدت بالا، قطبش القایی یک محیط شامل جملاتی متناسب با توان‌های بالاتر میدان است، که حساسیت‌های مرتبه دوم و سوم منجر به تولید هارمونیک، ترکیب فرکانس، و شکست وابسته به شدت می‌شوند.

کوانتیده‌سازی میدان الکترومغناطیسی

در نظر گرفتن هر مُد میدان به عنوان یک نوسانگر هارمونیک کوانتومی، فوتون‌ها و سلسله مراتبی از حالت‌ها را به دست می‌دهد، از جمله حالت‌های همدوس، عددی، فشرده، و درهم‌تنیده که هیچ معادل کلاسیکی ندارند.

Clinical relevance

فرآیندهای نوری غیرخطی میکروسکوپ چندفوتونی و هارمونیک دوم را امکان‌پذیر می‌سازند که با کنتراست ذاتی و نفوذ عمیق، از بافت زنده تصویربرداری می‌کنند، و آن‌ها طول موج‌های سبز و سایر طول موج‌های لیزرهای جراحی و چشمی با فرکانس تبدیل‌شده را فراهم می‌کنند؛ روش‌های اپتیک کوانتومی نوید تصویربرداری و حسگری با حساسیت افزایش‌یافته را می‌دهند.

History

اپتیک غیرخطی در سال ۱۹۶۱ آغاز شد، زمانی که فرانکن و همکارانش اندکی پس از در دسترس قرار گرفتن نور همدوس شدید توسط لیزر، تولید هارمونیک دوم را مشاهده کردند، و بلومبرگن چارچوب نظری آن را توسعه داد. به موازات آن، آزمایش‌های هانبری براون و تویس در دهه ۱۹۵۰ و نظریه کوانتومی همدوسی نوری گلاوبر در سال ۱۹۶۳، اپتیک کوانتومی را پایه‌گذاری کردند.

Key figures

• Nicolaas Bloembergen
• Peter Franken
• Roy J. Glauber
• Robert Hanbury Brown

Seminal works

• boyd2020
• loudon2000

Frequently asked questions

چرا اثرات غیرخطی به لیزر نیاز دارند؟

پاسخ‌های غیرخطی با قدرت میدان افزایش می‌یابند و در شدت‌های روزمره ناچیز هستند؛ تنها میدان‌های شدید و همدوس لیزرها، جملات قطبش مرتبه بالاتر را به اندازه کافی قوی تحریک می‌کنند تا اثراتی مانند تولید هارمونیک مشاهده شود.

فوتون در اپتیک کوانتومی چیست؟

فوتون یک کوانتوم واحد از تحریک یک مُد میدان الکترومغناطیسی است؛ اپتیک کوانتومی نور را بر حسب این کوانتوم‌ها و حالت‌های خاصی که می‌توانند تشکیل دهند، توصیف می‌کند که اپتیک موج کلاسیک قادر به درک آن‌ها نیست.