Pregled linearne in nelinearne optike

Pregled linearne in nelinearne optike

Na podlagi interakcije svetlobe s snovjo lahko optiko razdelimo na linearno optiko (LO) in nelinearno optiko (NLO). Linearna optika (LO) je temelj klasične optike, ki se osredotoča na linearne interakcije svetlobe. V nasprotju s tem se nelinearna optika (NLO) pojavi, kadar intenzivnost svetlobe ni neposredno sorazmerna z optičnim odzivom materiala, zlasti pod pogoji z visokim bleščanjem, kot so laserji.

Linearna optika (LO)
V LO svetloba deluje s snovjo pri nizki intenzivnosti, ki običajno vključuje en foton na atom ali molekulo. Ta interakcija povzroči minimalno izkrivljanje atomskega ali molekularnega stanja, ki ostane v naravnem, nemotenem stanju. Osnovno načelo v LO je, da je dipol, ki ga povzroča električno polje, neposredno sorazmeren trdnosti polja. Zato LO izpolnjuje načela superpozicije in aditivnosti. Načelo superpozicije navaja, da je, ko je sistem podvržen več elektromagnetnih valovih, skupni odziv enak vsoti posameznih odzivov na vsak val. Aditivnost podobno kaže, da je mogoče celoten odziv zapletenega optičnega sistema določiti s kombiniranjem odzivov njegovih posameznih elementov. Linearnost v LO pomeni, da je vedenje svetlobe konstantno, saj se intenzivnost spreminja - izhod je sorazmeren vhodu. Poleg tega v LO ni frekvenčnega mešanja, zato svetloba, ki prehaja skozi takšen sistem, ohrani svojo frekvenco, tudi če se doživi amplifikacijo ali fazno spreminjanje. Primeri LO vključujejo interakcijo svetlobe z osnovnimi optičnimi elementi, kot so leče, ogledala, valovne plošče in difrakcijske rešetke.

Nelinearna optika (NLO)
NLO se razlikuje po nelinearnem odzivu na močno svetlobo, zlasti pod pogoji visoke intenzivnosti, kjer je izhod nesorazmeren z vhodno trdnostjo. V NLO več fotonov hkrati komunicira z materialom, kar ima za posledico mešanje svetlobe in spremembe v indeksu refrakcije. Za razliko od LO, kjer svetlobno vedenje ostane dosledno, ne glede na intenzivnost, nelinearni učinki postanejo očitni le pri ekstremni intenzivnosti svetlobe. Pri tej intenzivnosti se pravila, ki običajno urejajo svetlobne interakcije, kot je načelo superpozicije, ne veljajo več, in celo vakuum se lahko obnaša nelinearno. Nelinearnost v interakciji med svetlobo in snovjo omogoča interakcijo med različnimi svetlobnimi frekvencami, kar ima za posledico pojave, kot so harmonska nastajanje, ter ustvarjanje vsote in razlike. Poleg tega nelinearna optika vključuje parametrične procese, v katerih je svetlobna energija prerazporejena za proizvodnjo novih frekvenc, kot je razvidno iz parametričnega amplifikacije in nihanja. Druga pomembna značilnost je samofazna modulacija, v kateri se faza svetlobnega vala spremeni z lastno intenzivnostjo-učinek, ki ima ključno vlogo pri optični komunikaciji.

Interakcije med svetlobo v linearni in nelinearni optiki
V LO, ko svetloba deluje z materialom, je odziv materiala neposredno sorazmeren intenzivnosti svetlobe. V nasprotju s tem NLO vključuje materiale, ki se odzivajo ne le na intenzivnost svetlobe, ampak tudi na bolj zapletene načine. Ko visoko intenzivna svetloba zadene nelinearni material, lahko ustvari nove barve ali spremeni svetlobo na nenavadne načine. Na primer, rdeča svetloba se lahko pretvori v zeleno svetlobo, ker odziv materiala vključuje več kot le sorazmerno spremembo - lahko vključuje podvojitev frekvence ali druge zapletene interakcije. To vedenje vodi do zapletenega nabora optičnih učinkov, ki jih v navadnih linearnih materialih ni opaziti.

Uporaba linearnih in nelinearnih optičnih tehnik
LO pokriva široko paleto široko uporabljenih optičnih tehnologij, vključno z lečami, ogledali, valovnimi ploščami in difrakcijskimi rešetkami. Ponuja preprost in računalniški okvir za razumevanje vedenja svetlobe v večini optičnih sistemov. Naprave, kot so fazni prestavniki in cepilniki snopov, se pogosto uporabljajo v LO, polje pa se je razvilo do točke, ko so LO vezja pridobila pomembnost. Ta vezja so zdaj obravnavana kot večfunkcionalna orodja, z aplikacijami na področjih, kot so mikrovalovna in kvantna optična obdelava signalov in nastajajoče biohevristične računalniške arhitekture. NLO je razmeroma nov in je s svojimi raznolikimi aplikacijami spremenil različna področja. Na področju telekomunikacij igra ključno vlogo v optičnih sistemih vlaken, kar vpliva na meje prenosa podatkov, ko se laserska moč poveča. Analitična orodja imajo koristi od NLO z naprednimi tehnikami mikroskopije, kot je konfokalna mikroskopija, ki zagotavlja lokalizirano slikanje z visoko ločljivostjo. NLO izboljšuje tudi laserje, saj omogoča razvoj novih laserjev in spreminjajo optične lastnosti. Izboljšala je tudi tehnike optičnega slikanja za farmacevtsko uporabo z uporabo metod, kot so generacija druge harmone in dvofotonska fluorescenca. V biofotoniki NLO olajša globoko slikanje tkiv z minimalno poškodbo in zagotavlja brezhibno biokemično kontrast. Polje ima napredno tehnologijo Terahertza, kar omogoča ustvarjanje intenzivnih impulzov v enem obdobju. V kvantni optiki nelinearni učinki olajšajo kvantno komunikacijo s pripravo frekvenčnih pretvornikov in zapletenih ekvivalentov fotona. Poleg tega so NLO -jeve inovacije v Brillouinovem razprševanju pomagale pri mikrovalovni obdelavi in ​​konjugaciji lahke faze. Na splošno NLO še naprej potiska meje tehnologije in raziskav v različnih disciplinah.

Linearna in nelinearna optika in njihove posledice za napredne tehnologije
Optika igra ključno vlogo tako pri vsakodnevnih aplikacijah kot v naprednih tehnologijah. LO je osnova za številne skupne optične sisteme, medtem ko NLO poganja inovacije na področjih, kot so telekomunikacije, mikroskopija, laserska tehnologija in biofotonika. Nedavni napredek v NLO, zlasti v zvezi z dvodimenzionalnimi materiali, je bil deležen veliko pozornosti zaradi njihove potencialne industrijske in znanstvene aplikacije. Znanstveniki raziskujejo tudi sodobne materiale, kot so kvantne pike, z zaporedno analizo linearnih in nelinearnih lastnosti. Z napredovanjem raziskav je kombinirano razumevanje LO in NLO ključnega pomena za potiskanje meja tehnologije in širitev možnosti optične znanosti.