Нелинейная и квантовая оптика
Нелинейная оптика изучает отклик вещества на интенсивный свет, в то время как квантовая оптика рассматривает дискретную, квантовую природу света; вместе они определяют современную фотонику.
Definition
Совместное изучение нелинейного оптического отклика вещества на интенсивный свет и квантованных, неклассических свойств электромагнитного поля и его взаимодействия с веществом.
Scope
Эта область объединяет две тесно связанные передовые ветви оптики. Нелинейная оптика изучает, как поляризация среды нелинейно реагирует на сильные оптические поля, вызывая такие эффекты, как генерация гармоник, смешение частот и зависимое от интенсивности преломление, которые отсутствуют при низкой интенсивности. Квантовая оптика изучает квантованное электромагнитное поле, фотон и неклассические состояния света, а также квантовую природу взаимодействия света с веществом. Эта область охватывает нелинейные восприимчивости второго и третьего порядков и процессы, которые они обеспечивают, параметрические и частотно-преобразовательные устройства, статистику фотонов, сжатый и запутанный свет, а также квантовое описание излучения и поглощения. Она лежит в основе физики преобразования частоты лазерного излучения, квантовой информации и прецизионных измерений.
Sub-topics
Core questions
- Как оптический отклик среды становится нелинейным при высокой интенсивности?
- Как свет одной частоты может генерировать свет на новых частотах?
- Что значит рассматривать свет как квантованные фотоны?
- Чем неклассические состояния света отличаются от обычного света?
Key concepts
- нелинейная восприимчивость
- генерация второй гармоники
- параметрические процессы
- фазовое согласование
- фотон
- когерентные и сжатые состояния
- статистика фотонов
- запутанные фотоны
Key theories
- Нелинейная оптическая восприимчивость
- При высокой интенсивности наведенная поляризация среды содержит члены, пропорциональные более высоким степеням поля, при этом восприимчивости второго и третьего порядков приводят к генерации гармоник, смешению частот и зависимому от интенсивности преломлению.
- Квантование электромагнитного поля
- Рассмотрение каждой моды поля как квантового гармонического осциллятора приводит к появлению фотонов и иерархии состояний, включая когерентные, фоковские, сжатые и запутанные состояния, не имеющие классического аналога.
Clinical relevance
Нелинейные оптические процессы позволяют использовать многофотонную и вторую гармоническую микроскопию, которые обеспечивают визуализацию живых тканей с внутренним контрастом и глубоким проникновением, а также генерируют зеленую и другие длины волн для частотно-преобразованных хирургических и офтальмологических лазеров; квантово-оптические методы обещают улучшенную чувствительность при визуализации и зондировании.
History
Нелинейная оптика зародилась в 1961 году, когда Франкен и его коллеги наблюдали генерацию второй гармоники вскоре после того, как лазер сделал доступным интенсивный когерентный свет, а Бломберген разработал ее теоретические основы. Параллельно эксперименты Хэнбери Брауна и Твисса в 1950-х годах и квантовая теория оптической когерентности Глаубера в 1963 году заложили основы квантовой оптики.
Key figures
- Nicolaas Bloembergen
- Peter Franken
- Roy J. Glauber
- Robert Hanbury Brown
Related topics
Seminal works
- boyd2020
- loudon2000
Frequently asked questions
- Почему нелинейные эффекты требуют лазера?
- Нелинейные отклики возрастают с увеличением напряженности поля и пренебрежимо малы при повседневных интенсивностях; только интенсивные, когерентные поля лазеров достаточно сильно возбуждают члены поляризации более высоких порядков, чтобы наблюдать такие эффекты, как генерация гармоник.
- Что такое фотон в квантовой оптике?
- Фотон — это отдельный квант возбуждения моды электромагнитного поля; квантовая оптика описывает свет в терминах этих квантов и особых состояний, которые они могут образовывать, что не может быть описано классической волновой оптикой.