[论文解读] Calorimetry of photon gases in nonlinear multimode optical fibers

M. Ferraro, F. Mangini+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 24, 2022

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 5

一句话总结

该论文通过实验展示了非线性多模光纤中量热过程，证明了光子气体通过从较热子系统向较冷子系统传递可测量热量，遵循热力学第二定律。该研究证实温度和化学势等热力学参数具有物理意义，从而可通过受控的非线性相互作用实现光束的冷却与加热。

ABSTRACT

Because of their massless nature, photons do not interact in linear optical media. However, light beam propagation in nonlinear media permits to break this paradigm, and makes it possible to observe photon-photon interactions. Based on this principle, a beam of light propagating in a nonlinear multimode optical system can be described as a gas of interacting particles. As a consequence, the spatio-temporal evolution of this photon gas is expressed in terms of macroscopic thermodynamic variables, e.g., temperature and chemical potential. Moreover, the gas evolution is subject to experiencing typical thermodynamic phenomena, such as thermalization. The meaning of thermodynamic variables associated with the photon gas must not be confused with their classical counterparts, e.g., the gas temperature cannot be measured by means of standard thermometers. Although the thermodynamic parameters of a multimode photon gas result from a rigorous mathematical derivation, their physical meaning is still unclear. In this work, we report on optical calorimetric measurements, which exploit nonlinear beam propagation in multimode optical fibers. Our results show that, indeed, heat only flows from a hot to a cold photon gas subsystem. This provides an unequivocal demonstration that nonlinear multimode wave propagation phenomena are governed by the second law of thermodynamics. In addition to be fundamental, our findings provide a new approach to light-by-light activated management of laser beams.

研究动机与目标

• 为非线性多模光纤中形成的光子气体的热力学参数——温度和化学势——提供物理基础。
• 通过实验验证热量不可逆地从较热光子气体子系统流向较冷子系统，证实光学系统中热力学第二定律的成立。
• 证明在热平衡过程中熵增加，验证非线性多模光传播的统计力学框架。
• 展示通过调节输入功率比或初始温度，可调控相互作用光子气体的平衡温度。
• 基于光-光热平衡与能量交换，实现新型全光束控制策略。

提出的方法

• 采用非线性多模光纤生成两个具有不同初始温度和粒子数的光子气体子系统。
• 利用模式分解装置测量输入和输出端各光束的模式占据分布，从而重建热力学变量。
• 应用配极大系综框架建模系统，其状态方程为：$ U - \mu\mathcal{P} = MT $，关联内能、化学势、功率和模式数。
• 通过调节两束光之间的功率比 $ R $ 及其中一束光的初始温度，调控平衡温度并观测热平衡动力学。
• 通过计算相互作用前后模式占据分布的熵，利用玻尔兹曼公式 $ S = -\sum_i n_i \ln n_i $ 测量熵的增长。
• 在高输入功率（最高达16 kW）下进行实验，以确保完全热平衡，并将结果与理论预测进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能通过实验观测并测量非线性多模光纤中两个光子气体子系统之间的热传递？
• RQ2 光子气体中的热力学参数（如温度和化学势）是否具有超越数学形式的物理意义？
• RQ3 在相互作用光子气体的热平衡过程中，熵是否增加，从而证实热力学第二定律？
• RQ4 是否可通过调节输入功率比或光束初始温度来控制混合光子气体的平衡温度？
• RQ5 非线性多模光传播的统计力学描述是否与热力学原理一致？

主要发现

• 热量仅从较热子系统流向较冷子系统，为热力学第二定律在非线性多模光学系统中起作用提供了直接实验证据。
• 熵随输入功率从低到高单调增加，证实系统向最大熵状态演化，与热平衡一致。
• 混合光子气体的平衡温度与初始质量较大的光束的初始温度呈线性关系，且位于两者之间，与理论预测一致。
• 当功率比 $ R $ 设为1/3时，平衡温度更接近粒子数较多（质量较大）的光束，证实质量在热平衡中的作用。
• 平衡混合物的化学势为两束光初始化学势的平均值，验证了配极大系综模型。
• 在16 kW输入功率和 $ R = 1/2 $ 条件下，系统完全热平衡，实验测得的平衡温度与理论预测在测量不确定度范围内一致。