Optique non linéaire et quantique
L'optique non linéaire traite de la réponse de la matière à une lumière intense, tandis que l'optique quantique aborde la nature discrète et quantique de la lumière ; ensemble, elles régissent la photonique moderne.
Definition
L'étude combinée de la réponse optique non linéaire de la matière à une lumière intense et des propriétés quantifiées et non classiques du champ électromagnétique et de son interaction avec la matière.
Scope
Ce domaine combine deux branches avancées et étroitement liées de l'optique. L'optique non linéaire étudie comment la polarisation d'un milieu répond de manière non linéaire à des champs optiques intenses, produisant des effets tels que la génération d'harmoniques, le mélange de fréquences et la réfraction dépendante de l'intensité, qui sont absents à faible intensité. L'optique quantique étudie le champ électromagnétique quantifié, le photon, et les états non classiques de la lumière, ainsi que la nature quantique de l'interaction lumière-matière. Ce domaine couvre les susceptibilités non linéaires de second et troisième ordre et les processus qu'elles permettent, les dispositifs paramétriques et de conversion de fréquence, les statistiques de photons et la lumière comprimée (squeezed) et intriquée, ainsi que le traitement quantique de l'émission et de l'absorption. Il fournit la physique sous-jacente à la conversion de fréquence laser, à l'information quantique et à la mesure de précision.
Sub-topics
Core questions
- Comment la réponse optique d'un milieu devient-elle non linéaire à haute intensité ?
- Comment la lumière à une fréquence peut-elle générer de la lumière à de nouvelles fréquences ?
- Que signifie traiter la lumière comme des photons quantifiés ?
- En quoi les états non classiques de la lumière diffèrent-ils de la lumière ordinaire ?
Key concepts
- susceptibilité non linéaire
- génération de seconde harmonique
- processus paramétriques
- accord de phase
- photon
- états cohérents et comprimés
- statistiques de photons
- photons intriqués
Key theories
- Susceptibilité optique non linéaire
- À haute intensité, la polarisation induite d'un milieu contient des termes proportionnels à des puissances supérieures du champ, les susceptibilités de second et troisième ordre donnant lieu à la génération d'harmoniques, au mélange de fréquences et à la réfraction dépendante de l'intensité.
- Quantification du champ électromagnétique
- Traiter chaque mode du champ comme un oscillateur harmonique quantique produit des photons et une hiérarchie d'états, y compris des états cohérents, de nombre, comprimés et intriqués sans équivalent classique.
Clinical relevance
Les processus optiques non linéaires permettent la microscopie multiphotonique et à génération de seconde harmonique qui image les tissus vivants avec un contraste intrinsèque et une pénétration profonde, et ils fournissent les longueurs d'onde vertes et autres des lasers chirurgicaux et ophtalmiques à fréquence convertie ; les méthodes d'optique quantique promettent une imagerie et une détection à sensibilité améliorée.
History
L'optique non linéaire a débuté en 1961 lorsque Franken et ses collègues ont observé la génération de seconde harmonique peu après que le laser ait rendu disponible une lumière cohérente intense, et Bloembergen a développé son cadre théorique. Parallèlement, les expériences de Hanbury Brown et Twiss des années 1950 et la théorie quantique de la cohérence optique de Glauber en 1963 ont fondé l'optique quantique.
Key figures
- Nicolaas Bloembergen
- Peter Franken
- Roy J. Glauber
- Robert Hanbury Brown
Related topics
Seminal works
- boyd2020
- loudon2000
Frequently asked questions
- Pourquoi les effets non linéaires nécessitent-ils un laser ?
- Les réponses non linéaires augmentent avec l'intensité du champ et sont négligeables aux intensités quotidiennes ; seuls les champs intenses et cohérents des lasers excitent suffisamment fortement les termes de polarisation d'ordre supérieur pour observer des effets tels que la génération d'harmoniques.
- Qu'est-ce qu'un photon en optique quantique ?
- Un photon est un quantum unique d'excitation d'un mode du champ électromagnétique ; l'optique quantique décrit la lumière en termes de ces quanta et des états spéciaux qu'ils peuvent former, ce que l'optique ondulatoire classique ne peut pas saisir.