Welcher Low-Level-Prozess treibt einen frequenzverdoppelnden Kristall an?

Ich habe über Kristalle der zweiten harmonischen Generation (SHG) (oder frequenzverdoppelnde Kristalle) gelesen, die verwendet werden, um grünes Laserlicht aus IR zu erzeugen.

Welcher Low-Level-Prozess im Kristall treibt tatsächlich die Kombination von zwei Photonen zu einem an? Ich denke an einen Prozess auf der QED-Ebene (oder zumindest an die Motivation, was auf dieser Ebene passiert). Der Wikipedia-Eintrag zu SHG spricht dies nicht wirklich an (er erwähnt nur, dass es sich um ein nichtlineares Phänomen handelt ...).

Oder anders ausgedrückt - was ist das (theoretisch) einfachste mögliche System, das die Phänomene zeigen kann, selbst wenn es einen sehr geringen Wirkungsgrad hat?

Bearbeiten: Eine Ergänzung zu der Frage, welche entropiebezogenen Einschränkungen gelten für die eingehenden Photonen in diesen Prozessen, um beispielsweise zu vermeiden, dass Wärme in schönere Photonen mit höherer Energie umgewandelt wird?

Ausgezeichnete Frage - ich sollte die Antwort wissen, aber ich weiß es nicht. Es scheint nicht viele Leute zu geben, die solche optischen Prozesse auf fundamentaler Ebene beschreiben können - ich habe lange versucht, jemanden zu finden, der Feynman-Diagramme nur mit fundamentalen Teilchen darin zeichnet (Sie sehen ein paar "Feynman Diagramme" in Texten mit "Atomen" oder "Systemen" darin). Ich vermute , dass sich Photonen nicht wirklich verbinden werden: Es wird eine perfekt elastische Absorption und Wiederemission sein, so dass keine Energie, kein Impuls und kein Drehimpuls an die Umgebung verloren geht. Zweitens wird es wahrscheinlich ....
... beinhalten "reale" Zustände, im Gegensatz zum virtuellen Zustand, der zu Zwei-Photonen-Fluoreszenz führt (im letzteren Fall liegt der virtuelle Zustand nicht auf halbem Weg zwischen den beiden realen Zuständen: Etwas Energie geht an das Medium verloren und zum Beispiel , Fluorescein hat einen Zwei-Photonen-Absorptionspeak bei etwa 780 nm, während sein Fluoreszenzpeak bei 532 nm liegt ( 532 ≠ 780 / 2 !). Wie Sie wissen, gibt SHG eine echte zweite Harmonische aus.
Danke, ja, ich habe eine Reihe anderer Prozesse, die ich auf dieser Ebene verstehen möchte, sobald wir mit diesem fertig sind ;) Interessant ist auch, was der "entropische Kurzurlaub" für diese Situation ist - ich nehme an, es gibt strenge Anforderungen von den kinematischen Eigenschaften der ankommenden Photonen (da man aus chaotischen Wärmephotonen im Allgemeinen keine schönen hochenergetischen Photonen machen kann).
Björn, ich denke, du solltest deiner Frage auch deinen letzten Kommentar hinzufügen oder ihn vielleicht als zweite Frage stellen, wenn du eine Antwort auf die aktuelle Frage hast. Auch das ist eine ausgezeichnete Frage, und in der Praxis wird SHG immer mit Lasern gemacht - aber liegt das, wie Sie sagen, einfach daran, dass Laser eine Möglichkeit sind, die für die Nichtlinearität erforderlichen Intensitäten zu erreichen, oder gibt es ein "entropisches Tor"?

Antworten (1)

Zu beachten ist, dass es nicht nur der Kristall ist, sondern ein Kristall, der von einem starken Laserfeld kohärent gepumpt wird, in dem man SHG sieht. In dieser Einstellung erzeugt die Pumpe eine periodische Modulation des Brechungsindex (daher die Anforderung an ein Non-Liner-Medium), das effektiv als Phasengitter wirkt.

Eine Art, über SHG nachzudenken, ist, dass es sich um den dynamischen Casimir-Effekt handelt. Anstelle eines bei optischer Frequenz oszillierenden Spiegels oszilliert hier die optische Weglänge des Kristalls aufgrund der nichtlinearen Reaktion des Kristalls bei dieser Frequenz, wodurch Photonen aus dem Vakuum erzeugt werden, auf Kosten der Photonen, die den Kristall modulieren.

In Bezug auf traditionellere Photon-Photon-Prozesse können Sie natürlich Feynman-Diagramme schreiben und die Streumatrizen für die Vernichtung von zwei Photonen in einem Modus und die Erzeugung eines anderen in einer phasenangepassten Richtung berechnen. Ein Beispiel ist hier angegeben (für den umgekehrten Prozess) . (siehe Seite 100 oder so).

Auch um Ihren letzten Punkt anzusprechen (mit dem ich nicht so vertraut bin). So wie ich es verstehe, übertragen parametrische Prozesse wie SHG keine Energie auf das Medium und daher gibt es kein Reservoir, um thermische Energie an die Photonen zu koppeln. Der Prozess ist vollkommen kohärent.

Hoffe das hilft.

Danke und +1 auch für den Link zu den Vorlesungen über nichtlineare Optik. Wenn Sie schreiben, dass der Kristall durch ein starkes Laserfeld gepumpt wird, würden Sie sagen, dass der Verdopplungsprozess ohne eine makroskopische Menge an Photonen im Prozess nicht stattfinden kann? Oder nutzen Sie eher das starke Laserfeld, um in der Praxis ein brauchbares Signal zu erhalten?
Hallo Björn, der χ ( 2 ) Koeffizient, der die Wahrscheinlichkeit des Auftretens des Prozesses bestimmt, ist eine Funktion der Pumpstärke. Im Prinzip könnte ein einzelnes Pumpphoton SHG antreiben, aber der Prozess wäre unwahrscheinlich. Als Größenordnungsschätzung: Ein guter Umwandlungswirkungsgrad bei 1 W Pumpe liegt bei etwa 0,1. 1W blaues Licht entspricht ungefähr 10 20 Photonen pro Sekunde, und der Prozess ist im E-Feld linear und geht daher als Quadratwurzel der Leistung. Sie können also einen Wirkungsgrad von ca. erwarten 10 − 11 auf dem Intensitätsniveau eines einzelnen Photons/s, dh ein Ereignis alle 3000 Jahre.
Welcher Low-Level-Prozess treibt einen frequenzverdoppelnden Kristall an?
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