В нелинейной оптике довольно распространен процесс использования нелинейных материалов для создания высших гармоник падающей волны. О механизме генерации таких высших гармоник упоминается в самом первом абзаце статьи, которую я читаю (доступна онлайн), что:
Оптические нелинейности по своей природе слабы, потому что они регулируются фотон-фотонными взаимодействиями, обеспечиваемыми материалами.
Итак, мне интересно, почему обычно говорят, что фотоны не взаимодействуют или почти не взаимодействуют?
Я думаю, что в нелинейной оптике фотон основной частоты взаимодействует с веществом, а фотоны более высокой частоты генерируются веществом, и прямого фотон-фотонного взаимодействия не происходит. Итак, мои вопросы сводятся к тому, что автор имеет в виду под приведенным выше предложением?
Итак, мне интересно, почему обычно говорят, что фотоны не взаимодействуют или почти не взаимодействуют?
Насколько нам известно, фотоны не взаимодействуют друг с другом напрямую. Математически это проявляется в том, что уравнения движения для электромагнетизма являются линейными: при наличии двух источников электромагнитного излучения А и В результирующее электромагнитное поле точно такое же, как если бы вы взяли поле, которое возникло бы только от источника А, поле только от источника B и просто суммировать их вместе. Другими словами
Еще одним способом сказать это является то, что если фотон движется вперед, существование второго фотона абсолютно не влияет на путь первого фотона.
Все становится интереснее, когда в дело вовлечены заряженные частицы. Если фотон проходит мимо заряженной частицы, электромагнитное поле отталкивает эту заряженную частицу. Результирующее движение заряженной частицы создает новое электромагнитное излучение (также известное как новые фотоны). Так что, принимая во внимание всю систему, фотоны действительно взаимодействуют. Конечно, это не прямое взаимодействие; взаимодействие опосредовано зарядами. Тем не менее, вы можете сказать, что когда у вас есть заряды, фотоны начинают взаимодействовать друг с другом, и их динамика больше не является линейной.
В нелинейной оптике люди находят материалы (обычно кристаллы или атомы в резонаторе), которые достаточно сильно взаимодействуют с фотонами, что приводит к сильному эффективному фотон-фотонному взаимодействию. Это довольно сложно, потому что свет довольно слабо взаимодействует с материей (заряженными частицами) в целом.
оптические нелинейности по своей природе слабы, потому что они определяются фотон-фотонными взаимодействиями, обеспечиваемыми материалами.
Это означает то, о чем вы догадались: эффективное взаимодействие фотон-фотон слабое, потому что оно опосредовано слабым взаимодействием фотон-материя.
Короче говоря, ваша догадка верна!
Два фотона не могут напрямую взаимодействовать, потому что единственным решением их уравнения движения, сохраняющим как энергию, так и импульс, является их исходное направление и частота. Единственным исключением являются два фотона одинаковой частоты, встречающиеся лоб в лоб, и в этом случае они могут отскакивать друг от друга и менять направление. Но это неотличимо от случая, когда они проходят друг через друга.
Это отличается от столкновений физических объектов, и для этого есть веская причина. Для обычной материи Энергия и Импульс могут быть назначены отдельно. С фотонами у вас нет такого выбора, поскольку энергия и величина импульса пропорциональны. Это оставляет нам меньше возможных решений, которые сохраняют энергию и импульс. На самом деле решение только одно - их исходные направления и частоты.
Вы можете получить больше решений, если будете использовать обычную материю, так как это дает вам больше степеней свободы в вашем решении. Некоторые из этих решений включают испускание фотонов с более высокой частотой, чем исходные фотоны, и это используется для создания высокочастотных лазеров.
Робин Экман