非線形光学と量子光学

非線形光学は物質の強い光に対する応答を扱い、量子光学は光の離散的な量子的性質を扱います。これらは現代のフォトニクスを統括しています。

Definition

物質の強い光に対する非線形光学応答と、電磁場の量子化された非古典的特性およびその物質との相互作用を組み合わせた研究。

Scope

この分野は、密接に関連する光学の2つの高度な分野を組み合わせたものです。非線形光学は、媒体の分極が強い光電場に非線形に応答する方法を研究し、高調波発生、周波数混合、強度依存屈折などの低強度では見られない効果を生み出します。量子光学は、量子化された電磁場、光子、および光の非古典状態を、光と物質の相互作用の量子的性質とともに研究します。この分野は、2次および3次の非線形感受率とそれらが可能にするプロセス、パラメトリックおよび周波数変換デバイス、光子統計、スクイーズド光およびエンタングルド光、ならびに放出と吸収の量子論的扱いをカバーしています。これは、レーザー周波数変換、量子情報、および精密測定の背後にある物理学を提供します。

Sub-topics

• 高調波発生と周波数変換
• 光と物質の相互作用と光子
• 非線形光学過程
• 光の量子状態

Core questions

• 媒体の光学的応答は、高強度でどのように非線形になるのでしょうか？
• ある周波数の光が、どのようにして新しい周波数の光を生成できるのでしょうか？
• 光を量子化された光子として扱うとは、どういう意味でしょうか？
• 光の非古典状態は、通常の光とどのように異なるのでしょうか？

Key concepts

• 非線形感受率
• 第2高調波発生
• パラメトリック過程
• 位相整合
• 光子
• コヒーレント状態とスクイーズド状態
• 光子統計
• エンタングルド光子

Key theories

非線形光学感受率

高強度では、媒体の誘起分極は電場の高次冪に比例する項を含み、2次および3次感受率が高調波発生、周波数混合、および強度依存屈折を引き起こします。

電磁場の量子化

電場の各モードを量子調和振動子として扱うと、光子と、古典的な対応物を持たないコヒーレント状態、数状態、スクイーズド状態、エンタングルド状態を含む状態の階層が得られます。

Clinical relevance

非線形光学プロセスは、固有のコントラストと深い浸透性で生体組織を画像化する多光子および第2高調波顕微鏡を可能にし、周波数変換された外科用および眼科用レーザーの緑色光およびその他の波長を提供します。量子光学的手法は、感度を向上させたイメージングとセンシングを約束します。

History

非線形光学は、1961年にフランケンらがレーザーによって強いコヒーレント光が利用可能になった直後に第2高調波発生を観測し、ブロンベルゲンがその理論的枠組みを開発したことから始まりました。並行して、1950年代のハンベリー・ブラウンとトゥイスの実験、および1963年のグラウバーの光コヒーレンスの量子論が量子光学を確立しました。

Key figures

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

Seminal works

• boyd2020
• loudon2000

Frequently asked questions

なぜ非線形効果にはレーザーが必要なのですか？

非線形応答は電場強度とともに増大し、日常的な強度では無視できるほどです。レーザーの強力でコヒーレントな電場だけが、高次分極項を十分に強く駆動し、高調波発生などの効果を観測できます。

量子光学における光子とは何ですか？

光子とは、電磁場のモードの励起の単一量子です。量子光学は、これらの量子と、古典的な波動光学では捉えられない特殊な状態の観点から光を記述します。