¿Qué proceso de bajo nivel impulsa un cristal de duplicación de frecuencia?

Estaba leyendo sobre cristales de generación de segundo armónico (SHG) (o cristales de duplicación de frecuencia) que se utilizan para producir luz láser verde a partir de IR.

¿Qué proceso de bajo nivel en el cristal está realmente impulsando la combinación de dos fotones en uno? Estoy pensando en un proceso a nivel QED (o al menos motivando lo que sucede a ese nivel). La entrada de wikipedia en SHG realmente no aborda esto (solo menciona que es un fenómeno no lineal ...).

O dicho de otra manera: ¿cuál es el sistema más simple posible (teóricamente) que puede mostrar los fenómenos incluso con una eficiencia muy baja?

Editar: un complemento a la pregunta, ¿qué restricciones relacionadas con la entropía existen en los fotones entrantes en estos procesos, para evitar, por ejemplo, convertir el calor en fotones de mayor energía?

Excelente pregunta: debería saber la respuesta, pero no la sé. No parece haber mucha gente que pueda describir procesos ópticos como este en el nivel fundamental: he intentado durante mucho tiempo encontrar a alguien que dibuje diagramas de Feynman con solo partículas fundamentales en ellos (verá algunos "Feynman diagramas" en textos con "átomos" o "sistemas" en ellos). Supongo que esto no será una verdadera combinación de fotones: será una absorción y reemisión perfectamente elástica, de modo que no se pierda energía, ni momento ni momento angular en el medio ambiente . En segundo lugar, es probable que...
... involucran estados "reales", a diferencia del estado virtual que conduce a la fluorescencia de dos fotones (en el último caso, el estado virtual no está a medio camino entre los dos estados reales: algo de energía se pierde en el medio y, por ejemplo , la fluoresceína tiene un pico de absorción de dos fotones a aproximadamente 780 nm, mientras que su pico de fluorescencia es de 532 nm ( 532 ≠ 780 / 2 !). SHG, como saben, emite un verdadero segundo armónico.
Gracias, sí, tengo muchos otros procesos que me gustaría entender en este nivel una vez que hayamos terminado con este;) Lo que también es interesante es cuál es la "escapada entrópica" para esta situación: supongo que hay requisitos estrictos en las propiedades cinemáticas de los fotones entrantes (dado que, en general, no se pueden generar buenos fotones de alta energía a partir de fotones de calor caóticos).
Bjorn, creo que también deberías agregar tu último comentario a tu pregunta, o tal vez hacerla como una segunda pregunta una vez que tengas una respuesta a la presente. También es una excelente pregunta y, en la práctica, SHG siempre se realiza con láseres, pero, como usted dice, ¿es esto simplemente porque los láseres son una forma de llegar a las intensidades necesarias para la no linealidad, o hay una "puerta de entrada entrópica"?

Respuestas (1)

Una cosa a tener en cuenta es que no es solo el cristal, sino un cristal que es bombeado coherentemente por un fuerte campo láser en el que uno ve SHG. En esta configuración, la bomba crea una modulación periódica del índice de refracción (por lo tanto, el requisito de un medio no lineal) que actúa efectivamente como una rejilla de fase.

Una forma de pensar en SHG es que es el efecto Casimir dinámico. Aquí, en lugar de un espejo que oscila a la frecuencia óptica, la longitud del camino óptico del cristal oscila a esta frecuencia debido a la respuesta no lineal del cristal, creando fotones del vacío, a expensas de los fotones que modulan el cristal.

En términos de procesos fotón-fotón más tradicionales, por supuesto, puede escribir diagramas de Feynman y calcular las matrices de dispersión para la aniquilación de dos fotones en un modo y la creación de otro en una dirección de fase coincidente. Se da un ejemplo (para el proceso inverso) aquí . (ver página 100 más o menos).

Además, para abordar su último punto (con el que no estoy tan familiarizado). Según tengo entendido, los procesos paramétricos como SHG no transfieren energía al medio y, por lo tanto, no hay depósito para acoplar energía térmica a los fotones. El proceso es totalmente coherente.

Espero que esto ayude.

Gracias, y +1 por el enlace a las conferencias de óptica no lineal también. Cuando escribes que el cristal es bombeado por un fuerte campo láser, ¿dirías que el proceso de duplicación no puede ocurrir sin una cantidad macroscópica de fotones en el proceso? ¿O es más como usar el campo láser fuerte para obtener una señal utilizable en la práctica?
Hola Bjorn, el x ( 2 ) El coeficiente que dicta la probabilidad de que ocurra el proceso es una función de la potencia de la bomba. En principio, un solo fotón de bomba podría impulsar SHG, pero el proceso sería poco probable. Como estimación de orden de magnitud: una buena eficiencia de conversión a 1 W de bomba es de aproximadamente 0,1. 1W de luz azul corresponde a aproximadamente 10 20 fotones por segundo, y el proceso es lineal en el campo E y, por lo tanto, va como la raíz cuadrada de la potencia. Por lo tanto, podría esperar una eficiencia de aproximadamente 10 − 11 en el nivel de intensidad de un solo fotón/s, es decir, un evento cada 3000 años.
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