Óptica Não Linear e Quântica
A óptica não linear trata da resposta da matéria à luz intensa, enquanto a óptica quântica trata da natureza discreta e quântica da luz; juntas, elas governam a fotónica moderna.
Definition
O estudo combinado da resposta óptica não linear da matéria à luz intensa e das propriedades quantizadas e não clássicas do campo eletromagnético e sua interação com a matéria.
Scope
Esta área combina dois ramos avançados e intimamente relacionados da óptica. A óptica não linear estuda como a polarização de um meio responde de forma não linear a campos ópticos fortes, produzindo efeitos como geração de harmónicos, mistura de frequências e refração dependente da intensidade que estão ausentes em baixa intensidade. A óptica quântica estuda o campo eletromagnético quantizado, o fotão, e estados não clássicos da luz, juntamente com a natureza quântica da interação luz-matéria. A área abrange as suscetibilidades não lineares de segunda e terceira ordem e os processos que elas permitem, dispositivos paramétricos e de conversão de frequência, estatísticas de fotões e luz comprimida e emaranhada, e o tratamento quântico de emissão e absorção. Fornece a física por trás da conversão de frequência de laser, informação quântica e medição de precisão.
Sub-topics
Core questions
- Como a resposta óptica de um meio se torna não linear em alta intensidade?
- Como a luz em uma frequência pode gerar luz em novas frequências?
- O que significa tratar a luz como fotões quantizados?
- Como os estados não clássicos da luz diferem da luz comum?
Key concepts
- suscetibilidade não linear
- geração de segundo harmónico
- processos paramétricos
- casamento de fase
- fotão
- estados coerentes e comprimidos
- estatísticas de fotões
- fotões emaranhados
Key theories
- Suscetibilidade óptica não linear
- Em alta intensidade, a polarização induzida de um meio contém termos proporcionais a potências mais altas do campo, com suscetibilidades de segunda e terceira ordem dando origem à geração de harmónicos, mistura de frequências e refração dependente da intensidade.
- Quantização do campo eletromagnético
- Tratar cada modo do campo como um oscilador harmónico quântico produz fotões e uma hierarquia de estados, incluindo estados coerentes, de número, comprimidos e emaranhados sem contrapartida clássica.
Clinical relevance
Os processos ópticos não lineares permitem a microscopia multifotónica e de segundo harmónico que imageia tecido vivo com contraste intrínseco e penetração profunda, e fornecem as comprimentos de onda verdes e outros de lasers cirúrgicos e oftálmicos de frequência convertida; os métodos óptico-quânticos prometem imagens e deteção com sensibilidade aprimorada.
History
A óptica não linear começou em 1961, quando Franken e colegas observaram a geração de segundo harmónico logo após o laser ter disponibilizado luz coerente intensa, e Bloembergen desenvolveu sua estrutura teórica. Paralelamente, os experimentos de Hanbury Brown e Twiss da década de 1950 e a teoria quântica de coerência óptica de Glauber em 1963 fundaram a óptica quântica.
Key figures
- Nicolaas Bloembergen
- Peter Franken
- Roy J. Glauber
- Robert Hanbury Brown
Related topics
Seminal works
- boyd2020
- loudon2000
Frequently asked questions
- Por que os efeitos não lineares exigem um laser?
- As respostas não lineares aumentam com a intensidade do campo e são desprezáveis em intensidades quotidianas; apenas os campos intensos e coerentes dos lasers impulsionam os termos de polarização de ordem superior com força suficiente para observar efeitos como a geração de harmónicos.
- O que é um fotão em óptica quântica?
- Um fotão é um único quantum de excitação de um modo do campo eletromagnético; a óptica quântica descreve a luz em termos desses quanta e dos estados especiais que eles podem formar, que a óptica de ondas clássica não consegue capturar.