Как оптическая фазовая модуляция производит фотоны с разными частотами?

Фотон — элементарная частица, строительный блок Стандартной модели . Элементарные частицы следуют траекториям квантовой механики, а не классической физики, если удалось выделить одну из них и проследить ее курс.

Луч света, с которым работает оптика, возникает в микроскопическом масштабе из слияния миллионов фотонов, каждый из которых движется со скоростью света и имеет точечные измерения в рамках принципа неопределенности Гейзенберга, HUP . Отдельный фотон нельзя расколоть, он либо есть, либо его нет. У Любоша Мотля, который здесь участвует, есть статья в его блоге о том, как классические электромагнитные поля возникают из ансамбля фотонов. В принципе, подобную математику можно было бы использовать для любого светового луча, но это было бы так же глупо, как копать колодец хирургическим ножом. Классическая ЭМ прекрасно работает, а КМ нужна только при появлении парадоксов и аномалий, для их объяснения.

Таким образом, фотонное проявление бесполезно для вашего наблюдения, кроме как для объяснения изменений частоты на уровне элементарных частиц. Это может произойти:

1) внутри ГУП, но из-за малости h макроскопически не наблюдается

2) к взаимодействиям на квантовом уровне, которые снова строят из ансамбля когерентный световой пучок.

Если кто-то достаточно амбициозен, он должен исследовать коллективное атомно-молекулярное поле, которое вызывает изменение показателя преломления, общие поля Ван-дер-Ваальса более высокого порядка и учитывать взаимодействия: комптоновское рассеяние с полем; либо возбуждение с низкого на более высокий энергетический уровень в индуцированном спектре поля ВдВ и последующий спад на более низкий уровень, чем исходный, и т.д.

Так работают взаимодействия на уровне микроэлементарных частиц. То, что было замечено изменение частоты, означает взаимодействие , появление когерентного луча означает, что в среде существует когерентный механизм, который позволяет восстановить/появиться луч другой частоты.

Разделяются ли они на более короткие фотоны?

Точно нет. Фотон есть и взаимодействует в детекторе или нет. Это элементарная частица. Вы можете рубить лучи, потому что как бы быстро вы ни пытались их рубить, они состоят из миллионов фотонов. Можете ли вы измельчить воду вниз по течению и считать, что вы измельчаете отдельные молекулы?

В назидание читателям существуют эксперименты, в которых фотоны появляются индивидуально один за другим, создавая эксперименты с двумя щелями , показывающие медленно возникающую интерференцию. Наименьший фрагмент луча — это фотон за раз.

Один математический подход (который лично мне не нравится, потому что он не говорит о том, что происходит физически ) включает рассмотрение электрического поля луча. Это преобразование Фурье спектра луча, поэтому для монохроматического луча с угловой частотой =$\omega$

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

После применения синусоидального прерывателя на угловой частоте$\gamma$:

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

Используйте теорему свертки, чтобы преобразовать это в спектр, не поднимая карандаша:

Сейчас активны две частоты:$\omega \pm \gamma$

Для прямоугольного* прерывателя:

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

Спектр теперь содержит много компонентов (с центром на максимуме в$\omega$), так как спектр идеальной* прямоугольной волны имеет бесконечные члены.

* Я поставил звездочку на прямоугольной волне, так как она должна быть слегка закругленной по углам, а не идеально квадратной. Причина этого в том, что если бы прерыватель мог мгновенно переключаться с прозрачного на непрозрачный по всему лучу, то специальная теория относительности закричала бы на вас, поскольку информация (включение/выключение прерывателя) двигалась бы быстрее света.

У меня была серьезная дискуссия с профессором из Оксфорда по поводу проблемы, подобной этой, и в настоящее время я работаю с другом над более «реальным» объяснением и пониманием быстрых вертолетов. Я напишу более подробную информацию в другой день, когда буду в сознании.

Да, это похоже на генерацию второй гармоники или, в более общем смысле, на трехволновое смешение.

Эо-модуляцию можно рассматривать как низкочастотный поляритон. Падающий фотон разрушается, и испускается новый фотон с чуть большей или меньшей энергией, наряду с разрушением или созданием кванта поляритонного поля.

Фотоны, генерируемые в лазерном оптическом резонаторе, имеют частоты, определяемые резонансами резонатора. Таким образом, при изменении показателя преломления в резонаторе изменяются резонансы резонатора и генерируемые фотоны имеют разные частоты. После генерации фотоны не меняют частоту, но изменение показателя преломления резонатора вызывает изменение частоты генерируемых фотонов.