Tiesinės ir netiesinės optikos apžvalga

Tiesinės ir netiesinės optikos apžvalga

Remiantis šviesos sąveika su medžiaga, optika gali būti suskirstyta į linijinę optiką (LO) ir netiesinę optiką (NLO). Linijinė optika (LO) yra klasikinės optikos, orientuotos į tiesinę šviesos sąveiką, pagrindas. Priešingai, netiesinė optika (NLO) atsiranda, kai šviesos intensyvumas nėra tiesiogiai proporcingas medžiagos optiniam atsakui, ypač esant dideliam akinimui, pavyzdžiui, lazeriams.

Linijinė optika (LO)
LO šviesa sąveikauja su medžiaga mažu intensyvumu, paprastai viename atome ar molekulėje dalyvauja vienas fotonas. Dėl šios sąveikos atominės arba molekulinės būsenos iškraipomos minimaliai, išliekant natūralioje, netrikdomoje būsenoje. Pagrindinis LO principas yra tas, kad elektrinio lauko sukeltas dipolis yra tiesiogiai proporcingas lauko stiprumui. Todėl LO atitinka superpozicijos ir adityvumo principus. Superpozicijos principas teigia, kad kai sistemą veikia kelios elektromagnetinės bangos, bendra reakcija yra lygi atskirų atsakymų į kiekvieną bangą sumai. Adityvumas taip pat rodo, kad bendrą sudėtingos optinės sistemos atsaką galima nustatyti derinant atskirų jos elementų atsakymus. Tiesiškumas LO reiškia, kad šviesos elgsena yra pastovi, kai keičiasi intensyvumas – išėjimas yra proporcingas įėjimui. Be to, LO nėra dažnių maišymo, todėl šviesa, einanti per tokią sistemą, išlaiko savo dažnį, net jei ji yra sustiprinta arba modifikuojama. LO pavyzdžiai apima šviesos sąveiką su pagrindiniais optiniais elementais, tokiais kaip lęšiai, veidrodžiai, bangų plokštės ir difrakcijos gardelės.

Netiesinė optika (NLO)
NLO išsiskiria netiesiniu atsaku į stiprią šviesą, ypač esant didelio intensyvumo sąlygoms, kai išvestis yra neproporcinga įvesties stiprumui. NLO keli fotonai sąveikauja su medžiaga tuo pačiu metu, todėl šviesa maišosi ir keičiasi lūžio rodiklis. Skirtingai nei LO, kur šviesos elgesys išlieka nuoseklus, nepaisant intensyvumo, netiesiniai efektai išryškėja tik esant ekstremaliam šviesos intensyvumui. Esant tokiam intensyvumui, taisyklės, kurios paprastai reguliuoja šviesos sąveiką, pvz., superpozicijos principas, nebegalioja, ir net pats vakuumas gali veikti netiesiškai. Šviesos ir materijos sąveikos netiesiškumas leidžia sąveikauti tarp skirtingų šviesos dažnių, todėl atsiranda tokie reiškiniai kaip harmonikų generavimas ir sumos bei skirtumo dažnių generavimas. Be to, netiesinė optika apima parametrinius procesus, kurių metu šviesos energija perskirstoma, kad būtų sukurti nauji dažniai, kaip matyti iš parametrinio stiprinimo ir virpesių. Kita svarbi savybė – savaiminė fazė moduliacija, kai šviesos bangos fazė keičiama jos pačios intensyvumu – šis efektas atlieka itin svarbų vaidmenį optinėje komunikacijoje.

Šviesos ir medžiagos sąveika tiesinėje ir netiesinėje optikoje
LO, kai šviesa sąveikauja su medžiaga, medžiagos atsakas yra tiesiogiai proporcingas šviesos intensyvumui. Priešingai, NLO apima medžiagas, kurios reaguoja ne tik į šviesos intensyvumą, bet ir sudėtingesniais būdais. Kai didelio intensyvumo šviesa patenka į netiesinę medžiagą, ji gali sukurti naujų spalvų arba pakeisti šviesą neįprastais būdais. Pavyzdžiui, raudona šviesa gali būti paversta žalia šviesa, nes medžiagos reakcija apima ne tik proporcingą pokytį – gali apimti dažnio padvigubėjimą ar kitas sudėtingas sąveikas. Toks elgesys sukelia sudėtingą optinių efektų rinkinį, kurio nematyti įprastose linijinėse medžiagose.

Linijinių ir netiesinių optinių technikų taikymas
LO apima platų plačiai naudojamų optinių technologijų spektrą, įskaitant lęšius, veidrodžius, bangų plokštes ir difrakcijos groteles. Tai suteikia paprastą ir apskaičiuojamą sistemą, leidžiančią suprasti šviesos elgesį daugumoje optinių sistemų. Įrenginiai, tokie kaip fazių perjungikliai ir pluošto skirstytuvai, dažnai naudojami LO, ir ši sritis išsivystė iki taško, kuriame LO grandinės įgijo svarbą. Šios grandinės dabar vertinamos kaip daugiafunkciniai įrankiai, naudojami tokiose srityse kaip mikrobangų ir kvantinių optinių signalų apdorojimas ir atsirandančios bioheuristinės skaičiavimo architektūros. NLO yra palyginti nauja ir, naudodama įvairias programas, pakeitė įvairias sritis. Telekomunikacijų srityje jis vaidina pagrindinį vaidmenį šviesolaidinėse sistemose ir daro įtaką duomenų perdavimo riboms didėjant lazerio galiai. Analitiniams įrankiams NLO naudinga naudojant pažangius mikroskopijos metodus, pvz., konfokalinę mikroskopiją, kuri suteikia didelės raiškos, lokalizuotą vaizdą. NLO taip pat pagerina lazerius, leisdama kurti naujus lazerius ir modifikuoti optines savybes. Jis taip pat patobulino optinio vaizdo gavimo metodus, skirtus naudoti farmacijoje, naudodamas tokius metodus kaip antroji harmonikų karta ir dviejų fotonų fluorescencija. Biofotonikoje NLO palengvina gilų audinių vaizdavimą su minimaliu pažeidimu ir suteikia ženklinimo nemokamą biocheminį kontrastą. Lauke yra pažangi terahercinė technologija, leidžianti generuoti intensyvius vieno periodo terahercinius impulsus. Kvantinėje optikoje netiesiniai efektai palengvina kvantinį ryšį paruošiant dažnio keitiklius ir įsipainiojusius fotonų ekvivalentus. Be to, NLO naujovės Brillouin sklaidos srityje padėjo apdoroti mikrobangų krosnelę ir konjuguoti šviesos fazes. Apskritai, NLO ir toliau stumia technologijų ir mokslinių tyrimų ribas įvairiose disciplinose.

Tiesinė ir netiesinė optika ir jų reikšmė pažangioms technologijoms
Optika atlieka pagrindinį vaidmenį tiek kasdienėse programose, tiek pažangiose technologijose. LO yra daugelio įprastų optinių sistemų pagrindas, o NLO skatina naujoves tokiose srityse kaip telekomunikacijos, mikroskopija, lazerinės technologijos ir biofotonika. Naujausi NLO pasiekimai, ypač susiję su dvimatėmis medžiagomis, sulaukė daug dėmesio dėl galimo jų pritaikymo pramonėje ir moksle. Mokslininkai taip pat tiria šiuolaikines medžiagas, tokias kaip kvantiniai taškai, nuosekliai analizuodami tiesines ir netiesines savybes. Vykstant moksliniams tyrimams, bendras LO ir NLO supratimas yra labai svarbus siekiant išplėsti technologijos ribas ir išplėsti optinio mokslo galimybes.