Преглед на линеарна и нелинеарна оптика

Преглед на линеарна оптика и нелинеарна оптика

Врз основа на интеракцијата на светлината со материјата, оптиката може да се подели на линеарна оптика (LO) и нелинеарна оптика (NLO). Линеарната оптика (LO) е основа на класичната оптика, фокусирана на линеарните интеракции на светлината. Спротивно на тоа, нелинеарната оптика (NLO) се јавува кога интензитетот на светлината не е директно пропорционален на оптичкиот одговор на материјалот, особено под услови на висок отсјај, како што се ласерите.

Линеарна оптика (ЛО)
Во LO, светлината комуницира со материјата со ниски интензитети, обично вклучувајќи еден фотон по атом или молекула. ​​Оваа интеракција резултира со минимално нарушување на атомската или молекуларната состојба, останувајќи во нејзината природна, ненарушена состојба. Основниот принцип во LO е дека диполот индуциран од електрично поле е директно пропорционален на јачината на полето. Затоа, LO ги задоволува принципите на суперпозиција и адитивност. Принципот на суперпозиција наведува дека кога системот е подложен на повеќе електромагнетни бранови, вкупниот одговор е еднаков на збирот на индивидуалните одговори на секој бран. Адитивноста слично покажува дека вкупниот одговор на комплексен оптички систем може да се одреди со комбинирање на одговорите на неговите индивидуални елементи. Линеарноста во LO значи дека однесувањето на светлината е константно како што се менува интензитетот - излезот е пропорционален на влезот. Покрај тоа, во LO, нема мешање на фреквенции, така што светлината што минува низ таков систем ја задржува својата фреквенција дури и ако претрпи засилување или фазна модификација. Примери за LO вклучуваат интеракција на светлината со основни оптички елементи како што се леќи, огледала, бранови плочи и дифракциски решетки.

Нелинеарна оптика (NLO)
NLO се одликува со својот нелинеарен одговор на силна светлина, особено под услови на висок интензитет каде што излезот е непропорционален на влезната јачина. Во NLO, повеќе фотони комуницираат со материјалот истовремено, што резултира со мешање на светлината и промени во индексот на прекршување. За разлика од LO, каде што однесувањето на светлината останува конзистентно без оглед на интензитетот, нелинеарните ефекти стануваат очигледни само при екстремни интензитети на светлината. При овој интензитет, правилата што нормално ги регулираат интеракциите на светлината, како што е принципот на суперпозиција, повеќе не важат, па дури и самиот вакуум може да се однесува нелинеарно. Нелинеарноста во интеракцијата помеѓу светлината и материјата овозможува интеракција помеѓу различни светлосни фреквенции, што резултира со феномени како што се генерирање на хармоници и генерирање на збир и разлика на фреквенции. Покрај тоа, нелинеарната оптика вклучува параметарски процеси во кои светлосната енергија се прераспределува за да се произведат нови фреквенции, како што се гледа во параметарската амплификација и осцилација. Друга важна карактеристика е самофазната модулација, во која фазата на светлосниот бран се менува според сопствениот интензитет - ефект што игра клучна улога во оптичката комуникација.

Интеракции на светлината и материјата во линеарна и нелинеарна оптика
Во LO, кога светлината реагира со материјал, одговорот на материјалот е директно пропорционален на интензитетот на светлината. Спротивно на тоа, NLO вклучува материјали кои реагираат не само на интензитетот на светлината, туку и на посложени начини. Кога светлината со висок интензитет ќе погоди нелинеарен материјал, таа може да произведе нови бои или да ја промени светлината на необични начини. На пример, црвената светлина може да се претвори во зелена светлина бидејќи одговорот на материјалот вклучува повеќе од само пропорционална промена - може да вклучува удвојување на фреквенцијата или други сложени интеракции. Ова однесување води до сложен сет на оптички ефекти што не се гледаат кај обичните линеарни материјали.

Примени на линеарни и нелинеарни оптички техники
LO опфаќа широк спектар на широко користени оптички технологии, вклучувајќи леќи, огледала, бранови плочи и дифракциски решетки. Обезбедува едноставна и пресметлива рамка за разбирање на однесувањето на светлината во повеќето оптички системи. Уреди како што се фазни поместувачи и разделувачи на зраци често се користат во LO, а полето еволуираше до тој степен што LO колата добија на важност. Овие кола сега се сметаат за мултифункционални алатки, со примена во области како што се микробраново и квантно оптичко процесирање на сигнали и нови биоевристички компјутерски архитектури. NLO е релативно нов и промени различни области преку своите разновидни примени. Во областа на телекомуникациите, тој игра клучна улога во системите со оптички влакна, влијаејќи на ограничувањата на преносот на податоци како што се зголемува моќноста на ласерот. Аналитичките алатки имаат корист од NLO преку напредни техники на микроскопија како што е конфокална микроскопија, која обезбедува високорезолуционо, локализирано снимање. NLO, исто така, ги подобрува ласерите со овозможување на развој на нови ласери и модифицирање на оптичките својства. Исто така, ги подобри техниките на оптичко снимање за фармацевтска употреба со користење на методи како што се генерирање на втора хармоника и флуоресценција со два фотона. Во биофотониката, NLO овозможува длабоко снимање на ткивата со минимално оштетување и обезбедува биохемиски контраст без обележување. Полето има напредна терахерцова технологија, што овозможува генерирање на интензивни еднопериодични терахерцови импулси. Во квантната оптика, нелинеарните ефекти ја олеснуваат квантната комуникација преку подготовка на фреквентни конвертори и еквиваленти на заплеткани фотони. Покрај тоа, иновациите на NLO во расејувањето на Брилуен помогнаа во микробрановата обработка и конјугацијата на светлосните фази. Генерално, NLO продолжува да ги поместува границите на технологијата и истражувањето низ различни дисциплини.

Линеарна и нелинеарна оптика и нивните импликации за напредните технологии
Оптиката игра клучна улога и во секојдневните апликации и во напредните технологии. LO обезбедува основа за многу вообичаени оптички системи, додека NLO ја поттикнува иновацијата во области како што се телекомуникациите, микроскопијата, ласерската технологија и биофотониката. Неодамнешните достигнувања во NLO, особено во однос на дводимензионалните материјали, добија големо внимание поради нивните потенцијални индустриски и научни примени. Научниците, исто така, истражуваат модерни материјали како што се квантните точки преку секвенцијална анализа на линеарни и нелинеарни својства. Како што напредува истражувањето, комбинираното разбирање на LO и NLO е клучно за поместување на границите на технологијата и проширување на можностите на оптичката наука.