Prehľad lineárnej a nelineárnej optiky

Prehľad lineárnej optiky a nelineárnej optiky

Na základe interakcie svetla s hmotou možno optiku rozdeliť na lineárnu optiku (LO) a nelineárnu optiku (NLO). Lineárna optika (LO) je základom klasickej optiky so zameraním na lineárne interakcie svetla. Naopak, k nelineárnej optike (NLO) dochádza, keď intenzita svetla nie je priamo úmerná optickej reakcii materiálu, najmä v podmienkach vysokej strany, ako sú lasery.

Lineárna optika (lo)
V LO, svetlo interaguje s hmotou pri nízkych intenzitách, zvyčajne zahŕňa jeden fotón na atóm alebo molekulu. Táto interakcia vedie k minimálnemu skresleniu atómového alebo molekulárneho stavu, ktoré zostáva v jeho prirodzenom, nerušenom stave. Základným princípom v Lo je to, že dipól vyvolaný elektrickým poľom je priamo úmerný sile poľa. Preto Lo spĺňa zásady superpozície a aditivity. Princíp superpozície uvádza, že keď je systém vystavený viacerým elektromagnetickým vlnám, celková reakcia sa rovná súčtu jednotlivých reakcií na každú vlnu. Aditivita podobne ukazuje, že celková reakcia komplexného optického systému sa dá určiť kombináciou reakcií jeho jednotlivých prvkov. Linearita v Lo znamená, že správanie svetla je konštantné so zmenou intenzity - výstup je úmerný vstupu. Okrem toho v LO neexistuje žiadne frekvenčné miešanie, takže svetlo prechádzajúce takýmto systémom si zachováva svoju frekvenciu, aj keď podstúpi amplifikáciu alebo fázovú úpravu. Medzi príklady LO patrí interakcia svetla so základnými optickými prvkami, ako sú šošovky, zrkadlá, vlnové platne a difrakčné mriežky.

Nelineárna optika (NLO)
NLO sa vyznačuje svojou nelineárnou reakciou na silné svetlo, najmä za podmienok s vysokou intenzitou, keď je výstup neprimeraný k vstupnej pevnosti. V NLO viac fotónov interaguje s materiálom súčasne, čo vedie k zmiešaniu svetla a zmenám indexu lomu. Na rozdiel od LO, kde ľahké správanie zostáva konzistentné bez ohľadu na intenzitu, nelineárne účinky sa prejavujú iba pri extrémnych intenzitách svetla. Pri tejto intenzite sa pravidlá, ktoré normálne riadia interakcie svetla, ako napríklad zásada superpozície, sa už neplatia, a dokonca aj samotné vákuum sa môžu správať nelineárne. Nelinearita v interakcii medzi svetlom a hmotou umožňuje interakciu medzi rôznymi frekvenciami svetla, čo vedie k javom, ako je generovanie harmonických a generovanie súčtu a rozdielu. Okrem toho nelineárna optika obsahuje parametrické procesy, v ktorých sa svetlo energia prerozdeľuje na výrobu nových frekvencií, ako je vidieť pri parametrickej amplifikácii a oscilácii. Ďalšou dôležitou vlastnosťou je modulácia samostatnej fázy, v ktorej sa fáza svetelnej vlny mení vlastnou intenzitou-efektom, ktorý hrá rozhodujúcu úlohu v optickej komunikácii.

Interakcie svetla v lineárnej a nelineárnej optike
V Lo, keď svetlo interaguje s materiálom, je reakcia materiálu priamo úmerná intenzite svetla. Naopak, NLO zahŕňa materiály, ktoré reagujú nielen na intenzitu svetla, ale aj zložitejšími spôsobmi. Keď svetlo s vysokou intenzitou zasiahne nelineárny materiál, môže produkovať nové farby alebo nezvyčajným spôsobom meniť svetlo. Napríklad červené svetlo sa môže previesť na zelené svetlo, pretože reakcia materiálu zahŕňa viac ako len proporcionálnu zmenu - môže zahŕňať zdvojnásobenie frekvencie alebo iné komplexné interakcie. Toto správanie vedie k komplexnému súboru optických účinkov, ktoré sa v bežných lineárnych materiáloch nevyskytujú.

Aplikácie lineárnych a nelineárnych optických techník
LO sa týka širokej škály široko používaných optických technológií vrátane šošoviek, zrkadiel, vlnových dosiek a difrakčných mriežok. Poskytuje jednoduchý a vypočítateľný rámec na pochopenie správania svetla vo väčšine optických systémov. V LO sa často používajú zariadenia, ako sú fázové radiče a rozdeľovače lúčov, a pole sa vyvinulo do bodu, keď obvody LO získali význam. Tieto obvody sa teraz považujú za multifunkčné nástroje, s aplikáciami v oblastiach, ako sú mikrovlnné a kvantové optické spracovanie signálu a vznikajúce bioheuristické výpočtové architektúry. NLO je relatívne nový a prostredníctvom rôznych aplikácií zmenil rôzne oblasti. V oblasti telekomunikácií hrá kľúčovú úlohu v optických systémoch vlákna, ktorá ovplyvňuje limity prenosu údajov so zvyšovaním laserového výkonu. Analytické nástroje majú úžitok z NLO prostredníctvom pokročilých mikroskopických techník, ako je konfokálna mikroskopia, ktorá poskytuje lokalizované zobrazovanie s vysokým rozlíšením. NLO tiež zvyšuje lasery tým, že umožňuje vývoj nových laserov a úpravou optických vlastností. Vylepšil tiež optické zobrazovacie techniky pre farmaceutické použitie pomocou metód, ako je generovanie druhej harmonie a dvojfotónová fluorescencia. V biofotonike NLO uľahčuje hlboké zobrazovanie tkanív s minimálnym poškodením a poskytuje bezplatný biochemický kontrast bez značenia. Pole má pokročilú technológiu Terahertz, čo umožňuje generovať intenzívne jednotlivé pulzy terahertzov. V kvantovej optike nelineárne účinky uľahčujú kvantovú komunikáciu prípravou frekvenčných konvertorov a zapletených fotónových ekvivalentov. Okrem toho inovácie spoločnosti NLO v rozptyle brillouínov pomohli pri mikrovlnnom spracovaní a konjugácii ľahkej fázy. Celkovo NLO naďalej presadzuje hranice technológie a výskumu v rôznych disciplínach.

Lineárna a nelineárna optika a ich dôsledky pre pokročilé technológie
Optika zohráva kľúčovú úlohu v každodenných aplikáciách aj v pokročilých technológiách. LO poskytuje základ pre mnoho bežných optických systémov, zatiaľ čo NLO poháňa inovácie v oblastiach ako telekomunikácie, mikroskopia, laserová technológia a biofotonika. Nedávny pokrok v NLO, najmä v súvislosti s dvojrozmernými materiálmi, sa venoval veľká pozornosť vďaka svojim potenciálnym priemyselným a vedeckým aplikáciám. Vedci tiež skúmajú moderné materiály, ako sú kvantové bodky sekvenčnou analýzou lineárnych a nelineárnych vlastností. Ako výskumný pokrok, kombinované porozumenie LO a NLO je rozhodujúce pre posúvanie hraníc technológií a rozširovanie možností optickej vedy.