¿Cómo produce la modulación de fase óptica fotones con diferentes frecuencias?

Un fotón es una partícula elemental, un bloque de construcción del modelo estándar . Las partículas elementales siguen trayectorias de la mecánica cuántica y no de la física clásica, una vez que se ha podido aislar una de ellas y seguir su curso.

Un haz de luz con el que trabaja la óptica emerge microscópicamente de la congruencia de millones de fotones, cada uno moviéndose a la velocidad de la luz y con dimensiones puntuales dentro del principio de incertidumbre de Heisenberg, HUP . Un fotón individual no se puede cortar, está ahí o no está. Lubos Motl, quien contribuye aquí, tiene un artículo en su blog sobre cómo emergen los campos electromagnéticos clásicos de un conjunto de fotones. En principio, se podrían usar matemáticas similares para cualquier tipo de haz de luz, pero sería tan estúpido como cavar un pozo con un bisturí. La EM clásica funciona maravillosamente y la QM es necesaria solo cuando aparecen paradojas y anomalías, para explicarlas.

Entonces, la manifestación del fotón no es útil para su observación, excepto para explicar los cambios en la frecuencia en el nivel de partículas elementales. Estos pueden suceder:

1) dentro del HUP, pero debido a la pequeñez de h no sería observable macroscópicamente

2) a las interacciones en el nivel cuántico que nuevamente construyen a partir del conjunto un haz de luz coherente.

Si uno es lo suficientemente ambicioso, debe examinar el campo atómico/molecular colectivo que induce el cambio en el índice de refracción, los campos genéricos de Van der Waals de orden superior, y considerar las interacciones: dispersión de Compton con el campo; o excitación desde un nivel de energía bajo a uno más alto en el espectro inducido del campo WdW, y posterior decaimiento a un nivel más bajo que el inicial, etc.

Así es como funcionan las interacciones a nivel de micropartículas elementales. Que se haya visto un cambio en la frecuencia significa una interacción , que emerge un haz coherente significa que hay un mecanismo coherente en el medio que permite la reconstrucción/emergencia de un haz de frecuencia diferente.

¿Se cortan en fotones más cortos?

Absolutamente no. El fotón está ahí e interactúa en el detector, o no. Es una partícula elemental. Puede cortar haces porque no importa qué tan rápido intente cortarlos, están compuestos de millones de fotones. ¿Puedes cortar agua corriente abajo y considerar que estás cortando moléculas individuales?

Para la edificación de los lectores de esto, existen experimentos donde los fotones aparecen individualmente uno por uno construyendo las dos rendijas que muestran la interferencia emergiendo lentamente. El corte más pequeño de un haz es un fotón a la vez.

Un enfoque matemático (que personalmente no me gusta porque no dice qué está pasando físicamente ) consiste en observar el campo eléctrico del haz. Esta es la transformada de Fourier del espectro del haz, por lo que para un haz monocromático con frecuencia angular =$\omega$

$E(x,t) = A\cos\left(kx - \omega t\right)$

Después de aplicar un interruptor de onda sinusoidal a frecuencia angular$\gamma$:

$E(x,t) = A\cos(kx - \omega t)cos(\gamma t)$

Usa el teorema de convolución para transformar esto en un espectro sin levantar el lápiz:

Dos frecuencias activas ahora:$\omega \pm \gamma$

Para un chopper de onda cuadrada*:

$E(x,t) = A\cos(kx - \omega t)\,\textrm{square}(\gamma t)$

Spectrum contiene muchos componentes ahora (centrados en un máximo en$\omega$), ya que el espectro de una onda cuadrada perfecta* tiene infinitos términos.

* Pongo un asterisco en la onda cuadrada, ya que debe ser ligeramente redondeada en las esquinas en lugar de perfectamente cuadrada. La razón de esto es que si el interruptor pudiera cambiar de transparente a opaco instantáneamente en todo el haz, entonces la relatividad especial le gritaría, ya que la información (encender/apagar el interruptor) se movería más rápido que la luz.

Tuve una gran discusión con un profesor de Oxford sobre un problema similar a este, y actualmente estoy trabajando con un amigo en una explicación y comprensión más "real" de los helicópteros rápidos. Escribiré algunos detalles más otro día cuando esté más despierto.

Sí, es similar a la generación de segundo armónico, o más generalmente, a la mezcla de tres ondas.

La modulación eo se puede considerar como un polaritón de baja frecuencia. El fotón incidente se destruye y se emite un nuevo fotón con un poco más o menos energía, junto con la destrucción o creación de un cuanto del campo polaritón.

Los fotones generados en una cavidad óptica láser tienen frecuencias impuestas por las resonancias de la cavidad. Así, al cambiar el índice de refracción en la cavidad, las resonancias de la cavidad cambian y los fotones generados tienen diferentes frecuencias. Una vez generados, los fotones no cambian de frecuencia, pero el cambio del índice de refracción de la cavidad induce el cambio de la frecuencia de los fotones generados.