Quang học phi tuyến và lượng tử
Quang học phi tuyến đề cập đến phản ứng của vật chất với ánh sáng cường độ cao, trong khi quang học lượng tử đề cập đến bản chất lượng tử, rời rạc của ánh sáng; cùng nhau chúng chi phối ngành quang tử hiện đại.
Definition
Nghiên cứu kết hợp về phản ứng quang học phi tuyến của vật chất với ánh sáng cường độ cao và các tính chất lượng tử, phi cổ điển của trường điện từ và tương tác của nó với vật chất.
Scope
Lĩnh vực này kết hợp hai nhánh nâng cao có liên quan chặt chẽ của quang học. Quang học phi tuyến nghiên cứu cách phân cực của môi trường phản ứng phi tuyến với các trường quang học mạnh, tạo ra các hiệu ứng như tạo sóng hài, trộn tần số và khúc xạ phụ thuộc cường độ mà không có ở cường độ thấp. Quang học lượng tử nghiên cứu trường điện từ lượng tử hóa, photon và các trạng thái phi cổ điển của ánh sáng, cùng với bản chất lượng tử của tương tác ánh sáng-vật chất. Lĩnh vực này bao gồm các độ cảm phi tuyến bậc hai và bậc ba và các quá trình mà chúng cho phép, các thiết bị tham số và chuyển đổi tần số, thống kê photon và ánh sáng nén và vướng víu, cũng như xử lý lượng tử của phát xạ và hấp thụ. Nó cung cấp vật lý đằng sau chuyển đổi tần số laser, thông tin lượng tử và đo lường chính xác.
Sub-topics
Core questions
- Phản ứng quang học của môi trường trở nên phi tuyến ở cường độ cao như thế nào?
- Làm thế nào ánh sáng ở một tần số có thể tạo ra ánh sáng ở các tần số mới?
- Việc coi ánh sáng là các photon lượng tử có ý nghĩa gì?
- Các trạng thái phi cổ điển của ánh sáng khác với ánh sáng thông thường như thế nào?
Key concepts
- độ cảm phi tuyến
- tạo sóng hài bậc hai
- các quá trình tham số
- khớp pha
- photon
- các trạng thái kết hợp và nén
- thống kê photon
- photon vướng víu
Key theories
- Độ cảm quang học phi tuyến
- Ở cường độ cao, sự phân cực cảm ứng của môi trường chứa các số hạng tỷ lệ với lũy thừa cao hơn của trường, với độ cảm bậc hai và bậc ba tạo ra sự tạo sóng hài, trộn tần số và khúc xạ phụ thuộc cường độ.
- Lượng tử hóa trường điện từ
- Việc coi mỗi mode của trường là một dao động tử điều hòa lượng tử tạo ra các photon và một hệ thống phân cấp các trạng thái, bao gồm các trạng thái kết hợp, số lượng, nén và vướng víu không có đối tác cổ điển.
Clinical relevance
Các quá trình quang học phi tuyến cho phép hiển vi đa photon và hiển vi sóng hài bậc hai tạo ảnh mô sống với độ tương phản nội tại và độ xuyên sâu, đồng thời chúng cung cấp các bước sóng xanh lục và các bước sóng khác của laser phẫu thuật và nhãn khoa chuyển đổi tần số; các phương pháp quang học lượng tử hứa hẹn hình ảnh và cảm biến có độ nhạy nâng cao.
History
Quang học phi tuyến bắt đầu vào năm 1961 khi Franken và các đồng nghiệp quan sát thấy sự tạo sóng hài bậc hai ngay sau khi laser tạo ra ánh sáng kết hợp cường độ cao, và Bloembergen đã phát triển khuôn khổ lý thuyết của nó. Song song đó, các thí nghiệm Hanbury Brown và Twiss vào những năm 1950 và lý thuyết lượng tử về tính kết hợp quang học của Glauber vào năm 1963 đã đặt nền móng cho quang học lượng tử.
Key figures
- Nicolaas Bloembergen
- Peter Franken
- Roy J. Glauber
- Robert Hanbury Brown
Related topics
Seminal works
- boyd2020
- loudon2000
Frequently asked questions
- Tại sao các hiệu ứng phi tuyến yêu cầu laser?
- Các phản ứng phi tuyến tăng theo cường độ trường và không đáng kể ở cường độ hàng ngày; chỉ các trường cường độ cao, kết hợp của laser mới đủ mạnh để điều khiển các số hạng phân cực bậc cao hơn để quan sát các hiệu ứng như tạo sóng hài.
- Photon trong quang học lượng tử là gì?
- Photon là một lượng tử kích thích duy nhất của một mode của trường điện từ; quang học lượng tử mô tả ánh sáng theo các lượng tử này và các trạng thái đặc biệt mà chúng có thể hình thành, điều mà quang học sóng cổ điển không thể nắm bắt được.