Oversigt over lineær og ikke -lineær optik

Oversigt over lineær optik og ikke -lineær optik

Baseret på interaktion mellem lys og stof kan optik opdeles i lineær optik (LO) og ikke -lineær optik (NLO). Lineær optik (LO) er grundlaget for klassisk optik med fokus på lineære interaktioner mellem lys. I modsætning hertil forekommer ikke-lineær optik (NLO), når lysintensiteten ikke er direkte proportional med det optiske respons af materialet, især under forhold med høj blænding, såsom lasere.

Lineær optik (LO)
I LO interagerer lys med stof ved lave intensiteter, typisk involverer et foton pr. Atom eller molekyle. Denne interaktion resulterer i minimal forvrængning af atom- eller molekylær tilstand, der forbliver i sin naturlige, uforstyrrede tilstand. Det grundlæggende princip i LO er, at en dipol induceret af et elektrisk felt er direkte proportionalt med feltstyrken. Derfor opfylder LO principperne for superposition og tilsætningsstof. Superpositionsprincippet siger, at når et system udsættes for flere elektromagnetiske bølger, er den samlede respons lig med summen af ​​de individuelle responser på hver bølge. Tilskud viser på samme måde, at den samlede respons fra et komplekst optisk system kan bestemmes ved at kombinere svarene fra dets individuelle elementer. Linearitet i LO betyder, at den lette opførsel er konstant, da intensiteten ændres - output er proportional med input. Derudover er der ingen frekvensblanding, så lyset, der passerer gennem et sådant system, bevarer sin frekvens, selvom det gennemgår amplifikation eller fasemodifikation. Eksempler på LO inkluderer interaktion mellem lys og basale optiske elementer såsom linser, spejle, bølgeplader og diffraktionsgitter.

Ikke -lineær optik (NLO)
NLO er kendetegnet ved dets ikke -lineære respons på stærkt lys, især under højintensitetsbetingelser, hvor output er uforholdsmæssigt til inputstyrken. I NLO interagerer flere fotoner med materialet på samme tid, hvilket resulterer i blanding af lys og ændringer i brydningsindeks. I modsætning til i LO, hvor lysadfærd forbliver konsistent uanset intensitet, bliver ikke -lineære effekter kun synlige ved ekstreme lysintensiteter. Ved denne intensitet kan reglerne, der normalt styrer lette interaktioner, såsom superpositionsprincippet, ikke længere, og endda selve vakuumet selv opfører sig ikke -lineært. Ikke -lineariteten i samspillet mellem lys og stof tillader interaktionen mellem forskellige lysfrekvenser, hvilket resulterer i fænomener såsom harmonisk generation og sum og forskelfrekvensgenerering. Derudover inkluderer ikke -lineær optik parametriske processer, hvor lysenergi omfordeles til at producere nye frekvenser, som det ses i parametrisk amplifikation og svingning. Et andet vigtigt træk er selvfasemodulation, hvor fasen af ​​en lysbølge ændres ved sin egen intensitet-en effekt, der spiller en afgørende rolle i optisk kommunikation.

Let-stof-interaktioner i lineær og ikke-lineær optik
I LO, når lys interagerer med et materiale, er materialets respons direkte proportional med lysets intensitet. I modsætning hertil involverer NLO materialer, der ikke kun reagerer på lysets intensitet, men også på mere komplekse måder. Når lys med høj intensitet rammer et ikke-lineært materiale, kan det producere nye farver eller ændre lyset på usædvanlige måder. For eksempel kan rødt lys omdannes til grønt lys, fordi materialets respons involverer mere end blot en proportional ændring - det kan omfatte frekvensdobling eller andre komplekse interaktioner. Denne opførsel fører til et komplekst sæt optiske effekter, der ikke ses i almindelige lineære materialer.

Anvendelser af lineære og ikke -lineære optiske teknikker
LO dækker en bred vifte af vidt anvendte optiske teknologier, herunder linser, spejle, bølgeplader og diffraktionsgitter. Det giver en enkel og beregningbar ramme for at forstå lysets opførsel i de fleste optiske systemer. Enheder som faseskiftere og stråleplitterne bruges ofte i LO, og marken har udviklet sig til det punkt, hvor LO -kredsløb har fået en fremtrædende rolle. Disse kredsløb ses nu som multifunktionelle værktøjer med applikationer inden for områder som mikrobølgeovn og kvanteoptisk signalbehandling og nye bioheuristiske computerarkitekturer. NLO er relativt ny og har ændret forskellige felter gennem sine forskellige applikationer. Inden for telekommunikation spiller det en nøglerolle i fiberoptiske systemer, hvilket påvirker dataoverførselsgrænser, når laserkraft øges. Analytiske værktøjer drager fordel af NLO gennem avancerede mikroskopiteknikker, såsom konfokal mikroskopi, som giver lokaliseret billeddannelse i høj opløsning. NLO forbedrer også lasere ved at muliggøre udvikling af nye lasere og modificere optiske egenskaber. Det har også forbedret optiske billeddannelsesteknikker til farmaceutisk brug ved anvendelse af metoder såsom andenharmonisk generation og to-fotonfluorescens. I biofotonik letter NLO dyb billeddannelse af væv med minimal skade og giver mærkning fri biokemisk kontrast. Feltet har avanceret Terahertz-teknologi, hvilket gør det muligt at generere intense en-periode terahertz-pulser. I kvanteoptik letter ikke -lineære effekter kvantekommunikation gennem fremstilling af frekvensomformere og sammenfiltrede fotonækvivalenter. Derudover hjalp NLOs innovationer inden for Brillouin -spredning med mikrobølgeforarbejdning og lysfasekonjugering. Generelt fortsætter NLO med at skubbe grænserne for teknologi og forskning på tværs af forskellige discipliner.

Lineær og ikke -lineær optik og deres konsekvenser for avancerede teknologier
Optik spiller en nøglerolle i både hverdagslige applikationer og avancerede teknologier. LO leverer grundlaget for mange almindelige optiske systemer, mens NLO driver innovation inden for områder som telekommunikation, mikroskopi, laserteknologi og biofotonik. De seneste fremskridt inden for NLO, især når de vedrører to-dimensionelle materialer, har fået en masse opmærksomhed på grund af deres potentielle industrielle og videnskabelige anvendelser. Forskere undersøger også moderne materialer såsom kvanteprikker ved sekventiel analyse af lineære og ikke -lineære egenskaber. Efterhånden som forskningen skrider frem, er en kombineret forståelse af LO og NLO kritisk for at skubbe teknologiens grænser og udvide mulighederne for optisk videnskab.