非线性光学与量子光学

非线性光学研究物质对强光的响应，而量子光学研究光的离散量子性质；两者共同构成了现代光子学的基础。

Definition

结合研究物质对强光的非线性光学响应，以及电磁场的量子化、非经典性质及其与物质的相互作用。

Scope

该领域结合了光学中两个密切相关的先进分支。非线性光学研究介质的极化如何对强光场产生非线性响应，从而产生在低强度下不存在的效应，例如谐波产生、混频和强度依赖性折射。量子光学研究量子化的电磁场、光子和光的非经典态，以及光与物质相互作用的量子性质。该领域涵盖二阶和三阶非线性磁化率及其所实现的物理过程、参量和变频器件、光子统计以及压缩光和纠缠光，以及发射和吸收的量子处理。它为激光变频、量子信息和精密测量提供了物理学基础。

Sub-topics

• 谐波产生与频率转换
• 光与物质的相互作用和光子
• 非线性光学过程
• 光的量子态

Core questions

• 介质的光学响应在高强度下如何变得非线性？
• 一种频率的光如何产生新频率的光？
• 将光视为量子化的光子意味着什么？
• 光的非经典态与普通光有何不同？

Key concepts

• 非线性磁化率
• 二次谐波产生
• 参量过程
• 相位匹配
• 光子
• 相干态和压缩态
• 光子统计
• 纠缠光子

Key theories

非线性光学磁化率

在高强度下，介质的感应极化包含与场更高次幂成比例的项，其中二阶和三阶磁化率导致谐波产生、混频和强度依赖性折射。

电磁场的量子化

将场的每个模式视为量子谐振子，产生光子和一系列状态，包括相干态、数态、压缩态和纠缠态，这些状态没有经典的对应物。

Clinical relevance

非线性光学过程使得多光子和二次谐波显微镜能够以固有对比度和深层穿透力对活体组织进行成像，并为频率转换的外科和眼科激光器提供绿色及其他波长；量子光学方法有望增强成像和传感的灵敏度。

History

非线性光学始于1961年，当时弗兰肯及其同事在激光器提供强相干光后不久观察到二次谐波产生，布洛姆伯根发展了其理论框架。与此同时，1950年代的汉伯里·布朗和特威斯实验以及格劳伯1963年的光学相干量子理论奠定了量子光学的基础。

Key figures

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

Seminal works

• boyd2020
• loudon2000

Frequently asked questions

为什么非线性效应需要激光？

非线性响应随场强度的增加而增强，在日常强度下可以忽略不计；只有激光的强相干场才能足够强烈地驱动高阶极化项，从而观察到谐波产生等效应。

量子光学中的光子是什么？

光子是电磁场模式的单个激发量子；量子光学用这些量子及其可以形成的特殊状态来描述光，而经典波动光学无法捕捉这些状态。