In der nichtlinearen Optik ist es ein ziemlich üblicher Prozess, nichtlineare Materialien zu verwenden, um höhere Harmonische einer einfallenden Welle zu erzeugen. Über den Mechanismus der Erzeugung solcher höheren Harmonischen wird im allerersten Absatz eines Artikels, den ich lese (online verfügbar), Folgendes erwähnt:
Optische Nichtlinearitäten sind von Natur aus schwach, da sie von Photon-Photon-Wechselwirkungen bestimmt werden, die durch Materialien ermöglicht werden.
Ich frage mich also, warum normalerweise gesagt wird, dass Photonen nicht oder kaum interagieren?
Ich denke, dass in der nichtlinearen Optik das Photon mit der Grundfrequenz mit Materie interagiert und die Photonen mit höherer Frequenz von der Materie erzeugt werden und keine direkte Photon-Photon-Wechselwirkung stattfindet. Meine Fragen reduzieren sich also darauf, was der Autor mit dem obigen Satz meint?
Ich frage mich also, warum normalerweise gesagt wird, dass Photonen nicht oder kaum interagieren?
Soweit wir wissen, interagieren Photonen nicht direkt miteinander. Mathematisch manifestiert sich dies in der Tatsache, dass die Bewegungsgleichungen für Elektromagnetismus linear sind: Bei zwei Quellen A und B elektromagnetischer Strahlung ist das resultierende EM-Feld genau dasselbe, als würde man das Feld nehmen, das nur von Quelle A entstehen würde, das Feld von Quelle B allein, und summieren Sie sie einfach zusammen. Mit anderen Worten
Anders gesagt: Wenn sich ein Photon entlangbewegt, hat die Existenz eines zweiten Photons absolut keinen Einfluss auf den Weg des ersten Photons.
Die Dinge werden interessanter, wenn einige geladene Teilchen beteiligt sind. Bewegt sich ein Photon an einem geladenen Teilchen vorbei, schiebt das elektromagnetische Feld dieses geladene Teilchen herum. Die resultierende Bewegung des geladenen Teilchens erzeugt neue elektromagnetische Strahlung (auch bekannt als neue Photonen). Unter Berücksichtigung des gesamten Systems interagieren Photonen nun tatsächlich. Natürlich ist es keine direkte Interaktion; die Wechselwirkung wird durch die Ladungen vermittelt. Dennoch kann man sagen, dass, wenn Ladungen beteiligt sind, Photonen schließlich miteinander interagieren und ihre Dynamik nicht mehr linear ist.
In der nichtlinearen Optik finden Menschen Materialien (normalerweise Kristalle oder Atome in einem Resonanzhohlraum), die stark genug mit Photonen wechselwirken, um zu einer starken effektiven Photon-Photon-Wechselwirkung zu führen. Das ist ziemlich schwierig, weil Licht im Allgemeinen ziemlich schwach mit Materie (geladenen Teilchen) interagiert.
Optische Nichtlinearitäten sind von Natur aus schwach, da sie von Photon-Photon-Wechselwirkungen bestimmt werden, die durch Materialien ermöglicht werden.
Das bedeutet, was Sie erraten haben: Die effektive Photon-Photon-Wechselwirkung ist schwach, weil sie durch eine schwache Photon-Materie-Wechselwirkung vermittelt wird.
Kurz gesagt, Ihre Vermutung ist richtig!
Zwei Photonen können nicht direkt interagieren, da die einzige Lösung ihrer Bewegungsgleichung, die sowohl Energie als auch Impuls erhält, ihre ursprüngliche Richtung und Frequenz ist. Die einzige Ausnahme sind zwei Photonen mit identischer Frequenz, die sich frontal treffen, in diesem Fall könnten sie voneinander abprallen und die Richtung umkehren. Dies ist jedoch nicht von dem Fall zu unterscheiden, in dem sie durcheinander gehen.
Dies unterscheidet sich von Kollisionen physischer Objekte, und dafür gibt es einen guten Grund. Bei normaler Materie können Energie und Impuls getrennt zugeordnet werden. Bei Photonen haben Sie diese Wahl nicht, da die Energie und die Größe des Impulses proportional sind. Dadurch bleiben uns weniger mögliche Lösungen, die Energie und Impuls sparen. Tatsächlich nur eine Lösung - ihre ursprünglichen Richtungen und Frequenzen.
Sie können mehr Lösungen erhalten, wenn Sie gewöhnliche Materie einbeziehen, da dies Ihnen mehr Freiheitsgrade bei Ihrer Lösung gibt. Einige dieser Lösungen beinhalten das Emittieren von Photonen mit höherer Frequenz als die Quellenphotonen, und dies wird verwendet, um Hochfrequenzlaser herzustellen.
Robin Ekmann