ทัศนศาสตร์ไม่เชิงเส้นและทัศนศาสตร์ควอนตัม
ทัศนศาสตร์ไม่เชิงเส้นศึกษาการตอบสนองของสสารต่อแสงที่มีความเข้มสูง ในขณะที่ทัศนศาสตร์ควอนตัมศึกษาธรรมชาติเชิงควอนตัมแบบไม่ต่อเนื่องของแสง ทั้งสองสาขารวมกันเป็นรากฐานของโฟโตนิกส์สมัยใหม่
Definition
การศึกษารวมกันของการตอบสนองทางทัศนศาสตร์แบบไม่เชิงเส้นของสสารต่อแสงที่มีความเข้มสูง และคุณสมบัติเชิงควอนตัมที่ไม่ใช่แบบคลาสสิกของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและอันตรกิริยาของสนามแม่เหล็กไฟฟ้ากับสสาร
Scope
สาขาวิชานี้เป็นการรวมกันของสองสาขาขั้นสูงที่เกี่ยวข้องกันอย่างใกล้ชิดในด้านทัศนศาสตร์ ทัศนศาสตร์ไม่เชิงเส้นศึกษาว่าโพลาไรเซชันของตัวกลางตอบสนองแบบไม่เชิงเส้นต่อสนามแสงที่รุนแรงได้อย่างไร ทำให้เกิดปรากฏการณ์ต่างๆ เช่น การสร้างฮาร์มอนิก การผสมความถี่ และการหักเหที่ขึ้นกับความเข้ม ซึ่งไม่มีในความเข้มต่ำ ทัศนศาสตร์ควอนตัมศึกษาปรากฏการณ์สนามแม่เหล็กไฟฟ้าเชิงควอนตัม โฟตอน และสถานะของแสงที่ไม่ใช่แบบคลาสสิก รวมถึงธรรมชาติเชิงควอนตัมของอันตรกิริยาระหว่างแสงกับสสาร สาขาวิชานี้ครอบคลุมถึงสภาพรับแสงไม่เชิงเส้นอันดับสองและสาม และกระบวนการที่เกิดขึ้นจากสภาพรับแสงดังกล่าว อุปกรณ์พาราเมตริกและการแปลงความถี่ สถิติโฟตอน แสงแบบบีบอัดและแสงพัวพัน และการอธิบายการปล่อยและการดูดกลืนในเชิงควอนตัม ซึ่งเป็นฟิสิกส์ที่อยู่เบื้องหลังการแปลงความถี่เลเซอร์ ข้อมูลควอนตัม และการวัดที่แม่นยำ
Sub-topics
Core questions
- การตอบสนองทางทัศนศาสตร์ของตัวกลางกลายเป็นแบบไม่เชิงเส้นได้อย่างไรเมื่อมีความเข้มสูง?
- แสงที่ความถี่หนึ่งสามารถสร้างแสงที่ความถี่ใหม่ได้อย่างไร?
- การพิจารณาแสงเป็นโฟตอนเชิงควอนตัมหมายความว่าอย่างไร?
- สถานะของแสงที่ไม่ใช่แบบคลาสสิกแตกต่างจากแสงทั่วไปอย่างไร?
Key concepts
- สภาพรับแสงไม่เชิงเส้น
- การสร้างฮาร์มอนิกอันดับสอง
- กระบวนการพาราเมตริก
- การจับคู่เฟส
- โฟตอน
- สถานะอาพันธ์และสถานะบีบอัด
- สถิติโฟตอน
- โฟตอนพัวพัน
Key theories
- สภาพรับแสงไม่เชิงเส้น
- ที่ความเข้มสูง โพลาไรเซชันที่ถูกเหนี่ยวนำของตัวกลางจะมีพจน์ที่แปรผันตรงกับกำลังที่สูงขึ้นของสนาม โดยสภาพรับแสงอันดับสองและสามทำให้เกิดการสร้างฮาร์มอนิก การผสมความถี่ และการหักเหที่ขึ้นกับความเข้ม
- การหาปริมาณของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า
- การพิจารณาแต่ละโหมดของสนามเป็นตัวแกว่งฮาร์มอนิกเชิงควอนตัมทำให้เกิดโฟตอนและลำดับชั้นของสถานะต่างๆ รวมถึงสถานะอาพันธ์ สถานะจำนวน สถานะบีบอัด และสถานะพัวพัน ซึ่งไม่มีคู่ขนานในแบบคลาสสิก
Clinical relevance
กระบวนการทางทัศนศาสตร์ไม่เชิงเส้นช่วยให้สามารถสร้างภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบหลายโฟตอนและแบบฮาร์มอนิกอันดับสอง ซึ่งสามารถสร้างภาพเนื้อเยื่อมีชีวิตด้วยความเปรียบต่างในตัวและการทะลุทะลวงลึก และยังให้แสงสีเขียวและความยาวคลื่นอื่นๆ ของเลเซอร์ผ่าตัดและเลเซอร์จักษุที่แปลงความถี่ได้ วิธีการทางทัศนศาสตร์ควอนตัมมีแนวโน้มที่จะช่วยเพิ่มความไวในการสร้างภาพและการตรวจจับ
History
ทัศนศาสตร์ไม่เชิงเส้นเริ่มต้นขึ้นในปี 1961 เมื่อแฟรงเคนและคณะสังเกตเห็นการสร้างฮาร์มอนิกอันดับสองไม่นานหลังจากที่เลเซอร์ทำให้แสงอาพันธ์ที่มีความเข้มสูงสามารถใช้งานได้ และบลูมเบอร์เกนได้พัฒนาโครงสร้างทางทฤษฎีขึ้นมา ในขณะเดียวกัน การทดลองของแฮนเบอรี บราวน์ และทวิส ในทศวรรษ 1950 และทฤษฎีควอนตัมของกลอเบอร์เกี่ยวกับความอาพันธ์ทางทัศนศาสตร์ในปี 1963 ได้ก่อตั้งทัศนศาสตร์ควอนตัมขึ้น
Key figures
- Nicolaas Bloembergen
- Peter Franken
- Roy J. Glauber
- Robert Hanbury Brown
Related topics
Seminal works
- boyd2020
- loudon2000
Frequently asked questions
- เหตุใดปรากฏการณ์ไม่เชิงเส้นจึงต้องใช้เลเซอร์?
- การตอบสนองแบบไม่เชิงเส้นจะเพิ่มขึ้นตามความแรงของสนามและมีค่าน้อยมากที่ความเข้มในชีวิตประจำวัน มีเพียงสนามที่มีความเข้มสูงและอาพันธ์ของเลเซอร์เท่านั้นที่สามารถขับเคลื่อนพจน์โพลาไรเซชันอันดับสูงได้อย่างแรงพอที่จะสังเกตปรากฏการณ์ต่างๆ เช่น การสร้างฮาร์มอนิกได้
- โฟตอนในทัศนศาสตร์ควอนตัมคืออะไร?
- โฟตอนคือควอนตัมเดี่ยวของการกระตุ้นของโหมดสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ทัศนศาสตร์ควอนตัมอธิบายแสงในรูปของควอนตัมเหล่านี้และสถานะพิเศษที่พวกมันสามารถสร้างขึ้นได้ ซึ่งทัศนศาสตร์คลื่นแบบคลาสสิกไม่สามารถอธิบายได้