Pārskats par lineāro un nelineāro optiku

Pārskats par lineāro optiku un nelineāro optiku

Balstoties uz gaismas mijiedarbību ar matēriju, optiku var iedalīt lineārajā optikā (LO) un nelineārā optikā (NLO). Lineārā optika (LO) ir klasiskās optikas pamats, koncentrējoties uz gaismas lineāro mijiedarbību. Turpretī nelineārā optika (NLO) rodas, ja gaismas intensitāte nav tieši proporcionāla materiāla optiskajai reakcijai, īpaši augstas līmeņa apstākļos, piemēram, lāzeros.

Lineārā optika (LO)
LO gaisma mijiedarbojas ar matēriju ar zemu intensitāti, parasti iesaistot vienu fotonu uz atomu vai molekulu. Šī mijiedarbība rada minimālu atomu vai molekulārā stāvokļa kropļojumu, paliekot dabiskajā, netraucētā stāvoklī. LO pamatprincips ir tāds, ka elektriskā lauka izraisītais dipols ir tieši proporcionāls lauka stiprumam. Tāpēc LO atbilst superpozīcijas un piedevas principiem. Superpozīcijas principā teikts, ka tad, kad sistēmai ir pakļauti vairāki elektromagnētiski viļņi, kopējā reakcija ir vienāda ar atsevišķu reakciju summu uz katru vilni. Additivity līdzīgi parāda, ka sarežģītas optiskās sistēmas vispārējo reakciju var noteikt, apvienojot tā atsevišķo elementu reakcijas. LO linearitāte nozīmē, ka gaismas izturēšanās ir nemainīga, mainoties intensitātei - izeja ir proporcionāla ieejai. Turklāt LO nav frekvences sajaukšanas, tāpēc gaisma, kas iet caur šādu sistēmu, saglabā savu frekvenci pat tad, ja tā tiek veikta pastiprināšanās vai fāzes modifikācija. LO piemēri ir gaismas mijiedarbība ar pamata optiskajiem elementiem, piemēram, objektīviem, spoguļiem, viļņu plāksnēm un difrakcijas režģiem.

Nelineārā optika (NLO)
NLO izceļas ar nelineāru reakciju uz spēcīgu gaismu, īpaši augstas intensitātes apstākļos, kad izvade ir nesamērīga ar ieejas stiprumu. NLO vienlaikus ar materiālu mijiedarbojas vairāki fotoni, kā rezultātā tiek sajaukta gaisma un izmaiņas refrakcijas indeksā. Atšķirībā no LO, kur gaismas uzvedība paliek konsekventa neatkarīgi no intensitātes, nelineārie efekti kļūst acīmredzami tikai ārkārtas gaismas intensitātē. Šajā intensitātē noteikumi, kas parasti regulē gaismas mijiedarbību, piemēram, superpozīcijas principu, vairs nepiemēro, un pat pati vakuums var izturēties nelineāri. Nelinearitāte mijiedarbībā starp gaismu un matēriju ļauj mijiedarbībai starp dažādām gaismas frekvencēm, kā rezultātā rodas tādas parādības kā harmoniska ģenerēšana, kā arī summas un starpības frekvences ģenerēšana. Turklāt nelineārā optika ietver parametriskos procesus, kuros gaismas enerģija tiek pārdalīta, lai iegūtu jaunas frekvences, kā redzams parametriskajā pastiprināšanā un svārstībās. Vēl viena svarīga iezīme ir pašfāzes modulācija, kurā gaismas viļņa fāzi maina pēc pašas intensitātes-efekts, kam ir izšķiroša loma optiskajā komunikācijā.

Gaismas un matērijas mijiedarbība lineārā un nelineārā optikā
LO, kad gaisma mijiedarbojas ar materiālu, materiāla reakcija ir tieši proporcionāla gaismas intensitātei. Turpretī NLO ietver materiālus, kas reaģē ne tikai uz gaismas intensitāti, bet arī sarežģītākā veidā. Kad augstas intensitātes gaisma nonāk nelineārā materiālā, tā var radīt jaunas krāsas vai neparastā veidā mainīt gaismu. Piemēram, sarkano gaismu var pārveidot zaļā gaismā, jo materiāla reakcija ir saistīta ar ne tikai proporcionālām izmaiņām - tā var ietvert frekvences dubultošanos vai citu sarežģītu mijiedarbību. Šī uzvedība noved pie sarežģīta optisko efektu kopuma, kas nav redzams parastajos lineārajos materiālos.

Lineāru un nelineāru optisko paņēmienu pielietojums
LO aptver plašu plaši izmantoto optisko tehnoloģiju klāstu, ieskaitot objektīvus, spoguļus, viļņu plāksnes un difrakcijas režģus. Tas nodrošina vienkāršu un aprēķināmu sistēmu, lai izprastu gaismas izturēšanos lielākajā daļā optisko sistēmu. LO bieži izmanto tādas ierīces kā fāžu pārslēdzēji un staru kūļa sadalītāji, un lauks ir attīstījies līdz vietai, kur LO shēmas ir ieguvušas pamanāmību. Šīs shēmas tagad tiek uzskatītas par daudzfunkcionāliem instrumentiem, pielietojot tādus apgabalos kā mikroviļņu un kvantu optiskā signāla apstrāde un topošās bioheuristiskās skaitļošanas arhitektūras. NLO ir salīdzinoši jauns un ir mainījis dažādas jomas, izmantojot savas daudzveidīgās lietojumprogrammas. Telekomunikāciju jomā tam ir galvenā loma optisko šķiedru sistēmās, ietekmējot datu pārraides robežas, palielinoties lāzera jaudai. Analītiskie rīki gūst labumu no NLO, izmantojot uzlabotas mikroskopijas metodes, piemēram, konfokālās mikroskopijas, kas nodrošina augstas izšķirtspējas, lokalizētu attēlveidošanu. NLO arī uzlabo lāzerus, ļaujot attīstīt jaunus lāzerus un modificēt optiskās īpašības. Tas ir arī uzlabojis farmaceitiskās lietošanas optiskās attēlveidošanas metodes, izmantojot tādas metodes kā otrās harmoniskās paaudzes un divu fotonu fluorescence. Biofotonikā NLO atvieglo dziļu audu attēlveidošanu ar minimālu bojājumu un nodrošina bezmaksas bioķīmisko kontrastu. Laukam ir uzlabota Terahertz tehnoloģija, ļaujot radīt intensīvus vienperioda Terahertz impulsus. Kvantu optikā nelineārie efekti atvieglo kvantu komunikāciju, sagatavojot frekvences pārveidotājus un sapinušos fotonu ekvivalentus. Turklāt NLO jauninājumi Brillouin izkliedēšanā palīdzēja veikt mikroviļņu apstrādi un gaismas fāzes konjugāciju. Kopumā NLO turpina virzīt tehnoloģiju un pētījumu robežas dažādās disciplīnās.

Lineārā un nelineārā optika un to ietekme uz progresīvām tehnoloģijām
Optikai ir galvenā loma gan ikdienas lietojumos, gan progresīvās tehnoloģijās. LO nodrošina daudzu parasto optisko sistēmu pamatu, savukārt NLO virza jauninājumus tādās jomās kā telekomunikācijas, mikroskopija, lāzera tehnoloģija un biofotonika. Jaunākie sasniegumi NLO, jo īpaši tāpēc, ka tie attiecas uz divdimensiju materiāliem, ir saņēmuši lielu uzmanību to potenciālā rūpnieciskā un zinātniskā pielietojuma dēļ. Zinātnieki pēta arī mūsdienīgus materiālus, piemēram, kvantu punktus, secīgi analizējot lineārās un nelineārās īpašības. Pētījumos attīstoties, apvienotā LO un NLO izpratne ir kritiska, lai virzītu tehnoloģiju robežas un paplašinātu optiskās zinātnes iespējas.