अरैखिक और क्वांटम प्रकाशिकी

अरैखिक प्रकाशिकी तीव्र प्रकाश के प्रति पदार्थ की प्रतिक्रिया का अध्ययन करती है, जबकि क्वांटम प्रकाशिकी प्रकाश की असतत, क्वांटम प्रकृति का अध्ययन करती है; साथ मिलकर वे आधुनिक फोटोनिक्स को नियंत्रित करते हैं।

Definition

तीव्र प्रकाश के प्रति पदार्थ की अरैखिक ऑप्टिकल प्रतिक्रिया और विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के परिमाणित, गैर-शास्त्रीय गुणों और पदार्थ के साथ इसकी अंतःक्रिया का संयुक्त अध्ययन।

Scope

यह क्षेत्र प्रकाशिकी की दो निकट संबंधी उन्नत शाखाओं को जोड़ता है। अरैखिक प्रकाशिकी अध्ययन करती है कि कैसे एक माध्यम का ध्रुवीकरण मजबूत ऑप्टिकल क्षेत्रों के प्रति अरैखिक रूप से प्रतिक्रिया करता है, जिससे हार्मोनिक जनरेशन, आवृत्ति मिश्रण और तीव्रता-निर्भर अपवर्तन जैसे प्रभाव उत्पन्न होते हैं जो कम तीव्रता पर अनुपस्थित होते हैं। क्वांटम प्रकाशिकी परिमाणित विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र, फोटॉन और प्रकाश की गैर-शास्त्रीय अवस्थाओं का अध्ययन करती है, साथ ही प्रकाश-पदार्थ अंतःक्रिया की क्वांटम प्रकृति का भी अध्ययन करती है। यह क्षेत्र दूसरी और तीसरी-क्रम की अरैखिक संवेदनशीलता और उनके द्वारा सक्षम प्रक्रियाओं, पैरामीट्रिक और आवृत्ति-रूपांतरण उपकरणों, फोटॉन सांख्यिकी और निचोड़े हुए (squeezed) और उलझे हुए (entangled) प्रकाश, और उत्सर्जन और अवशोषण के क्वांटम उपचार को शामिल करता है। यह लेजर आवृत्ति रूपांतरण, क्वांटम सूचना और सटीक माप के पीछे के भौतिकी की आपूर्ति करता है।

Sub-topics

• हार्मोनिक जनरेशन और आवृत्ति रूपांतरण
• प्रकाश-पदार्थ अंतःक्रिया और फोटॉन
• अरैखिक प्रकाशीय प्रक्रियाएँ
• प्रकाश की क्वांटम अवस्थाएँ

Core questions

• उच्च तीव्रता पर एक माध्यम की ऑप्टिकल प्रतिक्रिया अरैखिक कैसे हो जाती है?
• एक आवृत्ति पर प्रकाश नई आवृत्तियों पर प्रकाश कैसे उत्पन्न कर सकता है?
• प्रकाश को परिमाणित फोटॉनों के रूप में मानने का क्या अर्थ है?
• प्रकाश की गैर-शास्त्रीय अवस्थाएँ सामान्य प्रकाश से कैसे भिन्न होती हैं?

Key concepts

• अरैखिक संवेदनशीलता
• सेकंड-हार्मोनिक जनरेशन
• पैरामीट्रिक प्रक्रियाएँ
• फेज मैचिंग
• फोटॉन
• सुसंगत और निचोड़ी हुई अवस्थाएँ
• फोटॉन सांख्यिकी
• उलझे हुए फोटॉन

Key theories

अरैखिक ऑप्टिकल संवेदनशीलता

उच्च तीव्रता पर एक माध्यम के प्रेरित ध्रुवीकरण में क्षेत्र की उच्च शक्तियों के समानुपाती पद होते हैं, जिसमें दूसरी और तीसरी-क्रम की संवेदनशीलता हार्मोनिक जनरेशन, आवृत्ति मिश्रण और तीव्रता-निर्भर अपवर्तन को जन्म देती है।

विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र का परिमाणीकरण

क्षेत्र के प्रत्येक मोड को एक क्वांटम हार्मोनिक ऑसिलेटर के रूप में मानने पर फोटॉन और अवस्थाओं का एक पदानुक्रम प्राप्त होता है, जिसमें सुसंगत, संख्या, निचोड़ी हुई और उलझी हुई अवस्थाएँ शामिल हैं जिनका कोई शास्त्रीय समकक्ष नहीं है।

Clinical relevance

अरैखिक ऑप्टिकल प्रक्रियाएं मल्टीफ़ोटॉन और सेकंड-हार्मोनिक माइक्रोस्कोपी को सक्षम करती हैं जो आंतरिक कंट्रास्ट और गहरी पैठ के साथ जीवित ऊतक की छवि बनाती हैं, और वे आवृत्ति-रूपांतरित सर्जिकल और नेत्र संबंधी लेज़रों की हरी और अन्य तरंग दैर्ध्य प्रदान करती हैं; क्वांटम-ऑप्टिकल विधियाँ बढ़ी हुई-संवेदनशीलता इमेजिंग और संवेदन का वादा करती हैं।

History

अरैखिक प्रकाशिकी 1961 में शुरू हुई जब फ्रैंकन और सहयोगियों ने लेजर द्वारा तीव्र सुसंगत प्रकाश उपलब्ध कराने के तुरंत बाद सेकंड-हार्मोनिक जनरेशन का अवलोकन किया, और ब्लोमबर्गेन ने इसकी सैद्धांतिक रूपरेखा विकसित की। समानांतर में, 1950 के दशक के हैनबरी ब्राउन और ट्विस प्रयोगों और 1963 में ऑप्टिकल सुसंगतता के ग्लॉबर के क्वांटम सिद्धांत ने क्वांटम प्रकाशिकी की स्थापना की।

Key figures

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

Seminal works

• boyd2020
• loudon2000

Frequently asked questions

अरैखिक प्रभावों के लिए लेजर की आवश्यकता क्यों होती है?

अरैखिक प्रतिक्रियाएँ क्षेत्र की शक्ति के साथ बढ़ती हैं और रोजमर्रा की तीव्रताओं पर नगण्य होती हैं; केवल लेज़रों के तीव्र, सुसंगत क्षेत्र ही उच्च-क्रम के ध्रुवीकरण पदों को इतनी मजबूती से संचालित करते हैं कि हार्मोनिक जनरेशन जैसे प्रभावों का अवलोकन किया जा सके।

क्वांटम प्रकाशिकी में फोटॉन क्या है?

एक फोटॉन विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के एक मोड के उत्तेजना का एक एकल क्वांटम है; क्वांटम प्रकाशिकी प्रकाश का वर्णन इन क्वांटमों और उनके द्वारा बनाई जा सकने वाली विशेष अवस्थाओं के संदर्भ में करती है, जिसे शास्त्रीय तरंग प्रकाशिकी कैप्चर नहीं कर सकती है।