Lineaarse ja mittelineaarse optika ülevaade

Lineaarse ja mittelineaarse optika ülevaade

Valguse ja aine vastastikmõju põhjal saab optika jagada lineaarseks optikaks (LO) ja mittelineaarseks optikaks (NLO). Lineaarne optika (LO) on klassikalise optika alus, mis keskendub valguse lineaarsele vastastikmõjule. Seevastu mittelineaarne optika (NLO) esineb siis, kui valguse intensiivsus ei ole otseselt proportsionaalne materjali optilise vastusega, eriti suure pimestusega tingimustes, näiteks laserite korral.

Lineaarne optika (LO)
LO-s interakteerub valgus ainega madala intensiivsusega, tavaliselt ühe footoni aatomi või molekuli kohta. See interaktsioon põhjustab aatomi või molekuli oleku minimaalset moonutust, jäädes selle loomulikku, häirimatusse olekusse. LO põhiprintsiip on, et elektrivälja poolt indutseeritud dipool on otseselt proportsionaalne välja tugevusega. Seega vastab LO superpositsiooni ja aditiivsuse põhimõtetele. Superpositsiooniprintsiip väidab, et kui süsteemile mõjub mitu elektromagnetlainet, on kogureaktsioon võrdne iga laine individuaalsete reaktsioonide summaga. Aditiivsus näitab sarnaselt, et keerulise optilise süsteemi kogureaktsiooni saab määrata selle üksikute elementide reaktsioonide kombineerimise teel. Lineaarsus LO-s tähendab, et valguse käitumine on intensiivsuse muutudes konstantne – väljund on proportsionaalne sisendiga. Lisaks ei toimu LO-s sageduste segunemist, seega säilitab sellisest süsteemist läbiv valgus oma sageduse isegi siis, kui see võimendub või faasi muutub. LO näideteks on valguse interaktsioon selliste põhiliste optiliste elementidega nagu läätsed, peeglid, laineplaadid ja difraktsioonivõred.

Mittelineaarne optika (NLO)
NLO-d iseloomustab mittelineaarne reaktsioon tugevale valgusele, eriti suure intensiivsusega tingimustes, kus väljund on sisendi tugevusega ebaproportsionaalne. NLO-s interakteerub materjaliga samaaegselt mitu footonit, mille tulemuseks on valguse segunemine ja murdumisnäitaja muutused. Erinevalt LO-st, kus valguse käitumine jääb intensiivsusest olenemata samaks, ilmnevad mittelineaarsed efektid alles äärmuslike valguse intensiivsuste korral. Selle intensiivsuse juures ei kehti enam reeglid, mis tavaliselt reguleerivad valguse interaktsioone, näiteks superpositsiooniprintsiip, ja isegi vaakum ise võib käituda mittelineaarselt. Valguse ja aine interaktsiooni mittelineaarsus võimaldab erinevate valgussageduste vahelist interaktsiooni, mille tulemuseks on sellised nähtused nagu harmooniliste genereerimine ning summa- ja erinevussageduste genereerimine. Lisaks hõlmab mittelineaarne optika parameetrilisi protsesse, mille käigus valgusenergia jaotatakse ümber, et tekitada uusi sagedusi, nagu on näha parameetrilises võimenduses ja võnkumises. Teine oluline omadus on isefaasimodulatsioon, mille puhul valguslaine faasi muudab selle enda intensiivsus – see efekt mängib optilises kommunikatsioonis olulist rolli.

Valgusaine interaktsioonid lineaarses ja mittelineaarses optikas
LO puhul on valguse ja materjali vastastikmõjul materjali reaktsioon otseselt proportsionaalne valguse intensiivsusega. Seevastu mittelineaarne LO hõlmab materjale, mis reageerivad lisaks valguse intensiivsusele ka keerukamatel viisidel. Kui suure intensiivsusega valgus tabab mittelineaarset materjali, võib see tekitada uusi värve või muuta valgust ebatavalistel viisidel. Näiteks võib punane valgus muutuda roheliseks valguseks, kuna materjali reaktsioon hõlmab enamat kui lihtsalt proportsionaalset muutust – see võib hõlmata sageduse kahekordistumist või muid keerulisi interaktsioone. See käitumine viib keerukate optiliste efektide komplektini, mida tavalistes lineaarsetes materjalides ei täheldata.

Lineaarsete ja mittelineaarsete optiliste tehnikate rakendused
LO hõlmab laia valikut laialdaselt kasutatavaid optilisi tehnoloogiaid, sealhulgas läätsesid, peegleid, laineplaate ja difraktsioonivõresid. See pakub lihtsat ja arvutatavat raamistikku valguse käitumise mõistmiseks enamikus optilistes süsteemides. LO-des kasutatakse sageli selliseid seadmeid nagu faasinihutajad ja kiirejagajad ning valdkond on arenenud punktini, kus LO-ahelad on saavutanud esiletõstmise. Neid ahelaid peetakse nüüd multifunktsionaalseteks tööriistadeks, millel on rakendusi sellistes valdkondades nagu mikrolaine- ja kvantoptiline signaalitöötlus ning tekkivad bioheuristilised arvutusarhitektuurid. NLO on suhteliselt uus ja on oma mitmekesiste rakenduste kaudu muutnud mitmeid valdkondi. Telekommunikatsiooni valdkonnas mängib see võtmerolli fiiberoptilistes süsteemides, mõjutades andmeedastuse piire laseri võimsuse suurenedes. Analüütilised tööriistad saavad NLO-st kasu täiustatud mikroskoopiatehnikate, näiteks konfokaalse mikroskoopia kaudu, mis pakub kõrge eraldusvõimega lokaliseeritud pildistamist. NLO täiustab ka lasereid, võimaldades uute laserite väljatöötamist ja optiliste omaduste muutmist. See on parandanud ka optilise pildistamise tehnikaid farmaatsiatööstuses, kasutades selliseid meetodeid nagu teise harmoonilise genereerimine ja kahe footoni fluorestsents. Biofotoonikas hõlbustab NLO kudede süvapildistamist minimaalse kahjustusega ja pakub märgistusvaba biokeemilist kontrasti. Selles valdkonnas on täiustatud terahertsitehnoloogia, mis võimaldab genereerida intensiivseid üheperioodilisi terahertsiimpulsse. Kvantoptikas hõlbustavad mittelineaarsed efektid kvantkommunikatsiooni sagedusmuundurite ja põimunud footonite ekvivalentide valmistamise kaudu. Lisaks aitasid NLO uuendused Brillouini hajumises kaasa mikrolaineahjude töötlemisele ja valguse faasi konjugeerimisele. Üldiselt jätkab NLO tehnoloogia ja uurimistöö piiride nihutamist erinevates distsipliinides.

Lineaarne ja mittelineaarne optika ning nende mõju kõrgtehnoloogiale
Optikal on võtmeroll nii igapäevastes rakendustes kui ka täiustatud tehnoloogiates. LO (optiline mikroskoopia) on aluseks paljudele levinud optilistele süsteemidele, samas kui NLO (mitteline objekt) on innovatsiooni edendaja sellistes valdkondades nagu telekommunikatsioon, mikroskoopia, lasertehnoloogia ja biofotoonika. Hiljutised edusammud NLO-s, eriti seoses kahemõõtmeliste materjalidega, on pälvinud palju tähelepanu oma potentsiaalsete tööstuslike ja teaduslike rakenduste tõttu. Teadlased uurivad ka kaasaegseid materjale, näiteks kvantpunkte, lineaarsete ja mittelineaarsete omaduste järjestikuse analüüsi abil. Teadusuuringute edenedes on LO ja NLO kombineeritud mõistmine kriitilise tähtsusega tehnoloogia piiride nihutamiseks ja optikateaduse võimaluste laiendamiseks.