A lineáris és nemlineáris optika áttekintése

A lineáris optika és a nemlineáris optika áttekintése

A fény és az anyag kölcsönhatása alapján az optika lineáris optikára (LO) és nemlineáris optikára (NLO) osztható. A lineáris optika (LO) a klasszikus optika alapja, a fény lineáris interakcióira összpontosítva. Ezzel szemben a nemlineáris optika (NLO) akkor fordul elő, amikor a fényintenzitás nem közvetlenül arányos az anyag optikai válaszával, különösen nagy fényű körülmények között, például lézerekben.

Lineáris optika (LO)
Lo -ban a fény alacsony intenzitással kölcsönhatásba lép az anyaggal, jellemzően egy atom vagy molekulánkénti fotont. Ez az interakció az atom- vagy molekuláris állapot minimális torzulását eredményezi, természetes, zavartalan állapotában maradva. Az LO alapelve az, hogy az elektromos mező által kiváltott dipól közvetlenül arányos a mező szilárdságával. Ezért LO kielégíti a szuperpozíció és az additivitás alapelveit. A szuperpozíciós elv kimondja, hogy amikor egy rendszert több elektromágneses hullámnak vetnek alá, a teljes válasz megegyezik az egyes hullámokra adott egyes válaszok összegével. Az additivitás hasonlóan azt mutatja, hogy a komplex optikai rendszer általános válaszát az egyes elemek válaszának kombinálásával lehet meghatározni. A linearitás LO -ban azt jelenti, hogy a fény viselkedése állandó, mivel az intenzitás megváltozik - a kimenet arányos a bemenettel. Ezenkívül a LO -ban nincs frekvenciakeverés, tehát az ilyen rendszeren áthaladó fény megőrzi a frekvenciáját, még akkor is, ha amplifikáció vagy fázismódosításon megy keresztül. A LO példái között szerepel a fény kölcsönhatása az alapvető optikai elemekkel, például lencsékkel, tükrökkel, hullámlemezekkel és diffrakciós rácsokkal.

Nemlineáris optika (NLO)
Az NLO -t megkülönbözteti az erős fényre adott nemlineáris reakciója, különösen nagy intenzitású körülmények között, ahol a kimenet aránytalan a bemeneti szilárdsággal szemben. Az NLO -ban több foton egyszerre kölcsönhatásba lép az anyaggal, ami a fény keverékét és a törésmutató változásait eredményezi. A LO -val ellentétben, ahol a könnyű viselkedés továbbra is következetes, függetlenül az intenzitástól, a nemlineáris hatások csak a szélsőséges fényintenzitásoknál válnak nyilvánvalóvá. Ezen intenzitás mellett a szabályok, amelyek általában szabályozzák a fénykölcsönhatásokat, mint például a szuperpozíció alapelve, már nem vonatkoznak, és még a vákuum sem lineáris módon viselkedhet. A fény és az anyag közötti kölcsönhatás nemlinearitása lehetővé teszi a különböző fényfrekvenciák közötti kölcsönhatást, amely olyan jelenségeket eredményez, mint például a harmonikus generáció, valamint az összeg és a különbség -frekvencia generálása. Ezenkívül a nemlineáris optika olyan parametrikus folyamatokat tartalmaz, amelyekben a fényenergiát újraelosztják az új frekvenciák előállításához, amint azt a parametrikus amplifikáció és az oszcilláció mutatja. Egy másik fontos jellemző az önfázisú moduláció, amelyben a fényhullám fázisát a saját intenzitása megváltoztatja-ez a hatás döntő szerepet játszik az optikai kommunikációban.

Világos kölcsönhatások lineáris és nemlineáris optikában
Lo -ban, amikor a fény kölcsönhatásba lép egy anyaggal, az anyag válasza közvetlenül arányos a fény intenzitásával. Ezzel szemben az NLO olyan anyagokat foglal magában, amelyek nemcsak a fény intenzitására, hanem összetettebb módon is reagálnak. Amikor a nagy intenzitású fény nemlineáris anyagot ér el, új színeket hozhat létre, vagy szokatlan módon megváltoztathatja a fényt. Például, a vörös fényt zöld fényre lehet átalakítani, mivel az anyag válasza nem csupán arányos változást foglal magában - ez magában foglalhatja a frekvencia megduplázódását vagy más összetett interakciókat. Ez a viselkedés olyan komplex optikai hatásokhoz vezet, amelyeket nem látnak a szokásos lineáris anyagokban.

Lineáris és nemlineáris optikai technikák alkalmazása
A LO széles körben használt optikai technológiák széles skáláját fedi le, beleértve a lencséket, a tükröket, a hullámlemezeket és a diffrakciós rácsokat. Egyszerű és kiszámítható keretet biztosít a fény viselkedésének megértéséhez a legtöbb optikai rendszerben. Az olyan eszközöket, mint például a fázisváltók és a gerenda -osztók, gyakran használják a LO -ban, és a mező addig fejlődött, hogy a LO áramkörök kiemelkedtek. Ezeket az áramköröket most többfunkcionális eszköznek tekintik, olyan területeken alkalmazzák, mint a mikrohullámú és kvantum optikai jelfeldolgozás és a feltörekvő bioheurisztikus számítástechnikai architektúrák. Az NLO viszonylag új, és változatos alkalmazásain keresztül megváltoztatta a különféle területeket. A telekommunikáció területén kulcsszerepet játszik a száloptikai rendszerekben, befolyásolva az adatátviteli korlátokat a lézerteljesítmény növekedésével. Az analitikai eszközök előnyei az NLO-ból olyan fejlett mikroszkópos technikák révén, mint például a konfokális mikroszkópia, amely nagy felbontású, lokalizált képalkotást biztosít. Az NLO javítja a lézereket az új lézerek fejlesztésének és az optikai tulajdonságok módosításával is. Javította a gyógyszerészeti felhasználás optikai képalkotó technikáit olyan módszerekkel is, mint a második harmonikus generáció és a kétfoton-fluoreszcencia. A biofotonikában az NLO minimális károsodással megkönnyíti a szövetek mély képalkotását, és a szabad biokémiai kontraszt címkézését biztosítja. A mező fejlett Terahertz technológiával rendelkezik, lehetővé téve az intenzív egy periódusos terahertz impulzusok előállítását. A kvantumoptikában a nemlineáris hatások megkönnyítik a kvantumkommunikációt a frekvencia -átalakítók és az összefonódott foton -ekvivalensek elkészítésével. Ezen túlmenően az NLO brillouin -szórás innovációi elősegítették a mikrohullámú feldolgozást és a könnyűfázisú konjugációt. Összességében az NLO továbbra is a technológia és a kutatás határait tolja a különféle tudományágakban.

Lineáris és nemlineáris optika, valamint azok következményei a fejlett technológiákra
Az optika kulcsszerepet játszik mind a mindennapi alkalmazásokban, mind a fejlett technológiákban. Az LO alapot nyújt számos általános optikai rendszerhez, míg az NLO az innovációt mozgatja olyan területeken, mint a telekommunikáció, a mikroszkópia, a lézer technológia és a biofotonika. Az NLO legújabb fejlődése, különösen mivel ezek a kétdimenziós anyagokhoz kapcsolódnak, sok figyelmet kaptak potenciális ipari és tudományos alkalmazásaik miatt. A tudósok a modern anyagokat, például a kvantumpontokat is feltárják a lineáris és nemlineáris tulajdonságok szekvenciális elemzésével. A kutatás előrehaladtával a LO és az NLO együttes megértése kritikus jelentőségű a technológia határainak kitolásához és az optikai tudomány lehetőségeinek bővítéséhez.