Wie erzeugt die optische Phasenmodulation Photonen mit unterschiedlichen Frequenzen?

Ein Photon ist ein Elementarteilchen, ein Baustein des Standardmodells . Elementarteilchen folgen quantenmechanischen und nicht klassischen physikalischen Trajektorien, sobald man einmal in der Lage war, eine von ihnen zu isolieren und ihrem Lauf zu folgen.

Ein Lichtstrahl, mit dem die Optik arbeitet, entsteht mikroskopisch aus der Kongruenz von Zillionen von Photonen, die sich jeweils mit Lichtgeschwindigkeit und mit Punktabmessungen innerhalb der Heisenbergschen Unschärferelation HUP bewegen . Ein einzelnes Photon kann nicht zerhackt werden, es ist entweder da oder nicht. Lubos Motl, der hier einen Beitrag leistet, hat in seinem Blog einen Artikel darüber, wie klassische elektromagnetische Felder aus einem Ensemble von Photonen entstehen. Man könnte im Prinzip ähnliche Mathematik für jede Art von Lichtstrahl verwenden, aber es wäre so dumm, wie mit einem chirurgischen Messer einen Brunnen zu graben. Klassisches EM funktioniert wunderbar und QM ist nur dann notwendig, wenn Paradoxien und Anomalien auftreten, um sie zu erklären.

Die Photonenmanifestation ist also für Ihre Beobachtung nicht nützlich, außer um Frequenzänderungen auf Elementarteilchenebene zu erklären. Diese können passieren:

1) innerhalb des HUP, wäre aber aufgrund der Kleinheit von h makroskopisch nicht beobachtbar

2) zu Wechselwirkungen auf Quantenebene, die aus dem Ensemble wieder einen kohärenten Lichtstrahl aufbauen.

Wenn man ehrgeizig genug ist, sollte man das kollektive atomare/molekulare Feld untersuchen, das die Änderung des Brechungsindex induziert, die generischen Van-der-Waals -Felder höherer Ordnung, und die Wechselwirkungen berücksichtigen: Compton-Streuung mit dem Feld; oder Erregung von einem niedrigen auf ein höheres Energieniveau im induzierten Spektrum des WdW-Felds und anschließender Abfall auf ein niedrigeres Niveau als das anfängliche usw.

So funktionieren Wechselwirkungen auf der Ebene der Mikroelementarteilchen. Dass eine Frequenzänderung beobachtet wurde, bedeutet eine Wechselwirkung , dass ein kohärenter Strahl entsteht, bedeutet, dass es einen kohärenten Mechanismus im Medium gibt, der den Wiederaufbau/das Entstehen eines anderen Frequenzstrahls ermöglicht.

Werden sie in kürzere Photonen zerhackt?

Absolut nicht. Das Photon ist da und interagiert im Detektor oder nicht. Es ist ein Elementarteilchen. Sie können Strahlen hacken, denn egal wie schnell Sie versuchen, sie zu hacken, sie bestehen aus Zillionen von Photonen. Kannst du Wasser stromabwärts hacken und dabei davon ausgehen, dass du einzelne Moleküle hackst?

Zur Erbauung der Leser hiervon gibt es Experimente, bei denen Photonen einzeln erscheinen, eines nach dem anderen, um die zwei Schlitzexperimente aufzubauen, die die langsam entstehende Interferenz zeigen. Der kleinste Teil eines Strahls ist jeweils ein Photon.

Ein mathematischer Ansatz (den ich persönlich nicht mag, weil er nicht sagt, was physikalisch vor sich geht) besteht darin, das elektrische Feld des Strahls zu betrachten. Dies ist die Fourier-Transformation des Spektrums des Strahls, also für einen monochromatischen Strahl mit Winkelfrequenz =$\omega$

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

Nach Anwendung eines Sinus-Choppers bei Kreisfrequenz$\gamma$:

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

Verwenden Sie das Faltungstheorem, um dies in ein Spektrum umzuwandeln, ohne Ihren Stift in die Hand zu nehmen:

Zwei Frequenzen jetzt aktiv:$\omega \pm \gamma$

Für einen Chopper mit Rechteckwelle*:

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

Das Spektrum enthält jetzt viele Komponenten (zentriert auf ein Maximum bei$\omega$), da das Spektrum einer perfekten* Rechteckwelle unendliche Terme hat.

* Ich habe ein Sternchen auf Rechteckwelle gesetzt, da es an den Ecken leicht rund sein muss und nicht perfekt quadratisch. Der Grund dafür ist, dass, wenn der Chopper sofort über den gesamten Strahl von transparent zu undurchsichtig wechseln könnte, die spezielle Relativitätstheorie Sie anschreien würde, da sich Informationen (Chopper an/aus) schneller bewegen würden als Licht.

Ich hatte eine ziemliche Diskussion mit einem Professor in Oxford über ein ähnliches Problem und arbeite derzeit mit einem Freund an einer "realeren" Erklärung und einem Verständnis für schnelle Chopper. Ich werde an einem anderen Tag, wenn ich wacher bin, mehr Details eingeben.

Ja, es ähnelt der Erzeugung der zweiten Harmonischen oder allgemeiner dem Drei-Wellen-Mischen.

Die eo-Modulation kann man sich als niederfrequentes Polariton vorstellen. Das einfallende Photon wird zerstört und ein neues Photon mit etwas mehr oder weniger Energie wird emittiert, zusammen mit der Zerstörung oder Erzeugung eines Quants des Polaritonfeldes.

Die in einem laseroptischen Hohlraum erzeugten Photonen haben Frequenzen, die durch die Hohlraumresonanzen auferlegt werden. Somit ändern sich bei Änderung des Brechungsindex in der Kavität die Kavitätsresonanzen und die erzeugten Photonen haben unterschiedliche Frequenzen. Einmal erzeugt, ändern die Photonen ihre Frequenz nicht, aber die Änderung des Brechungsindex des Hohlraums induziert die Änderung der Frequenz der erzeugten Photonen.