低频率的光吸收光能，能够直接转化为高频率的光吗？

二维码

低频率的光吸收光能，能够直接转化为高频率的光吗？
原文地址：https://www.zhihu.com/question/639181256

大力水手

从理论上讲,低频率的光吸收光能后直接转化为高频率的光是不可能发生的。这个过程违反了能量守恒和频率向下转换的基本规律。然而,在一些特殊情况下,通过非线性光学效应,低频光可以通过某些机制产生高频分量。下面就来详细解释一下相关的原理。

首先,我们需要明确频率与能量之间的关系。根据量子理论,光的能量与频率成正比,高能量对应高频率,低能量对应低频率。换句话说,高频光子的能量大于低频光子。因此,一个低频的光子很难直接转化为一个高频的光子,因为这违反了能量守恒定律。

其次,我们知道单个光子吸收或发射是不可能改变自身频率的。一个光子要么完整地被吸收,要么完整地被发射,频率保持不变。因此,对于单一的光与物质相互作用过程,低频光不可能直接转化为高频光。

那么,是否有特殊情况可以产生低频到高频的频率"上转换"呢?答案是有的,这就需要利用非线性光学效应。非线性光学是指在高强度激光照射下,介质的光学响应会显示出非线性特征的一系列现象。

其中,最常见的一种非线性效应叫做"二次谐波产生"。当高强度激光通过一些非线性晶体时,由于晶体分子极化的非线性响应,会产生一个频率是入射光频率两倍的新光波,即第二谐波。比如, 1064纳米的红外光在非线性晶体中就可以产生532纳米的绿光。这实际上是将两个低频光子"合并"为一个高频光子的过程。

类似的非线性效应还有"三次谐波产生"、"四波混频"等,通过特殊的非线性光学晶体和相位匹配技术,低频光可以产生更高次的谐波,轻则可见光谱,重则紫外甚至更高能量光子。这些过程都需要極高的光强度,才能激发出足够大的非线性光学响应。

此外,在一些发光材料中,低频激发光也可以通过一些复杂的能量转移过程,激发出高频发光,比如反斯托克斯苂光、上转换发光等。但这些过程涉及到多个离子之间的能级跃迁和能量传递,属于多体相互作用,与单光子转换不同。

总之,单个低频光子很难直接转化为高频光子,但是通过非线性光学效应或一些复杂的多体系统效应,低频光仍然可以产生高频分量。不过,这些过程都需要非常特殊的条件,效率并不高。光的频率向上转换在激光器、频率转换、生物成像等领域有着重要应用,是当前光子学科的一个活跃研究方向。

卡卡

"真接"的概念不太清晰。从现象看，非线性晶体(如倍频晶体)可直接将低频光转成高频光。但这过程经历了许多物理过程，又不好说直接，所以问题是这里的直接具体是什么意义，哪个层次的真接？

队长是我

吸收能可以，吸收光能做不到，波与波之间不能发生相互作用。多普勒效应就是从后面推了光一把，使频率升高了。

大力水手

直接进行光子频率转换是不可能的。
因为麦克斯韦方程组在真空中是完全线性的，满足叠加原理，因此任何光子之间都不存在直接的相互作用。
因此必须经过特定的非线性散射体，才能实现光子频率转换，即所谓的参量上转换技术。
参量转换技术，是指光子通过非线性晶体，形成其他频率的光束的一种技术。包括参量下转换（高频光子转换为低频光子）和参量上转换（低频光子转换为高频光子）两种类型。这两种转换方式都是可行的，但相对而言下转换更加常见，因为可以制备纠缠态光子。
当然以上都是低能物理。
QED允许高能光子发生光子-光子散射。这也是一种非线性效应，并已经被证明存在。但至于是否会产生题主所说的光子间的三顶点散射，我的答案是不会，因为动量守恒及能量守恒禁止任何的正反物质湮灭生成单一的光子而是生成两个光子，所以只能产生四顶点散射，两束光进去两束光出来。

感恩由您

谢谢邀请，以本人浅薄的大物和量子力学知识尝试回答一下这个问题。
     先说结论：一般情况下，低频率光难以转化为高频率的光；考虑间接作用的话，是可以的。
     首先看一般情况，在不受其他干扰下，由 （ 是普朗克常数， 是光子频率）可以知道：光的频率与能量直接相关，高频率的光具有更高的能量。根据能量守恒定律，能量不能被创造或消失，只能在不同形式之间转换。
我觉得主要有疑惑的地方应该是中学物理中讲到的康普顿效应那里，电子激发出来的光。在百度上找了张图：


康普顿效应指出，高能光子（通常是X射线或γ射线）与自由电子碰撞，然后散射出去。在这个过程中，一部分能量和动量转移给了电子，导致散射后的光子频率降低。
康普顿散射的关键是相对论效应，其中光子和电子都被视为粒子，并且其能量与动量由爱因斯坦的相对论关系式确定。因此，在这个特殊情况下，光子的频率确实发生了变化。
但量子力学中指出，光具有波粒二象性。如果你按照单个光子来考虑，它就和粒子一样，具有动量。但如果是一堆光子组成光束，那么在现实中反映出来的更可能是波动性，就像水波一样。
举个例子：你可以滴一滴水放在载玻片上，摆动玻璃片就可以让水珠前后左右移动；但如果是一条河，一片海洋，你就很难再去影响其中一滴水怎么动了。
在提问中是“光”，而不是“光子”，所以在实验中我们使用到的主要是其波动性。
<hr/>回归到光子产生的本质：能级跃迁理论，不知道会不会让你觉得好像光的频率发生了变化。
但它的本质是原子核外电子高能级的电子向低能级跃迁，多余的能量以光子的形式辐射出来。但根据量子力学理论，辐射出来的光子能量具备粒子性。
也就是说，上述过程中光子产生后，没有任何东西会再影响光子了，其频率保持不变。
<hr/>不过想让“光”频率变化，也有一些相关研究，例如采用荧光粉之类的物质使光子能间接产生另外一种光子，我这里放个链接，就不展开赘述了~
不同波长的光可以互相转化吗？