Lineaarse optika ja mittelineaarse optika ülevaade
Valguse interaktsiooni põhjal võib optika jagada lineaarseks optikaks (LO) ja mittelineaarseks optikaks (NLO). Lineaarne optika (LO) on klassikalise optika alus, keskendudes valguse lineaarsele interaktsioonile. Seevastu mittelineaarne optika (NLO) ilmneb siis, kui valguse intensiivsus ei ole otseselt võrdeline materjali optilise reageerimisega, eriti suure pimestamise tingimustes, näiteks laserid.
Lineaarne optika (LO)
LO -s interakteerub valgus madala intensiivsusega ainega, hõlmates tavaliselt ühte footonit aatomi või molekuli kohta. Selle interaktsiooni tulemuseks on aatomi või molekulaarse oleku minimaalne moonutamine, jäädes selle loomulikus, häirimata olekus. LO põhiprintsiip on see, et elektrivälja indutseeritud dipool on otseselt võrdeline välja tugevusega. Seetõttu vastab LO superpositsiooni ja advokaadi põhimõtetele. Superpositsioonipõhimõte väidab, et kui süsteemi allutatakse mitme elektromagnetilise lainega, on kogureaktsioon võrdne iga laine individuaalsete vastuste summaga. Sarnaselt näitab advokaat, et keeruka optilise süsteemi üldise vastuse saab kindlaks teha, ühendades selle üksikute elementide vastused. Lineaarsus LO -s tähendab seda, et intensiivsuse muutumisel on valguse käitumine konstantne - väljund on võrdeline sisendiga. Lisaks ei ole LO -s sageduse segunemist, nii et sellist süsteemi läbiv valgus säilitab oma sageduse isegi siis, kui see läbib võimendamise või faasi modifikatsiooni. LO näideteks on valguse interaktsioon põhiliste optiliste elementidega nagu läätsed, peeglid, laineplaadid ja difraktsioonivõtmised.
Mittelineaarne optika (NLO)
NLO eristab selle mittelineaarse reageerimise tugevale valgusele, eriti kõrge intensiivsusega tingimustes, kus väljund on sisendjõu suhtes ebaproportsionaalne. NLO -s interakteeruvad mitu footonit materjaliga korraga, mille tulemuseks on valguse ja murdumisnäitaja muutused. Erinevalt LO -st, kus valguse käitumine püsib ühtlane, sõltumata intensiivsusest, ilmnevad mittelineaarsed efektid ainult ekstreemse valguse intensiivsuse korral. Selle intensiivsuse korral võivad reeglid, mis tavaliselt reguleerivad kergete interaktsioonide, näiteks superpositsioonipõhimõte, enam, ja isegi vaakum ise võivad käituda mittelineaarselt. Mittelineaarsus valguse ja aine vahelise interaktsiooni korral võimaldab erinevate valgusageduste vahelist interaktsiooni, mille tulemuseks on sellised nähtused nagu harmooniline genereerimine ning summa ja erinevuste sageduse genereerimine. Lisaks sisaldab mittelineaarne optika parameetrilisi protsesse, milles valgusenergia ümber jaotatakse, et saada uusi sagedusi, nagu on näha parameetrilise võimenduse ja võnkumise osas. Veel üks oluline omadus on enesefaasi modulatsioon, milles valguse faasi muutub tema enda intensiivsusega-efekt, mis mängib optilise kommunikatsiooni olulist rolli.
Valgusmaterjalid lineaarse ja mittelineaarse optika korral
LO -s, kui valgus interakteerub materjaliga, on materjali reageerimine otseselt võrdeline valguse intensiivsusega. Seevastu NLO hõlmab materjale, mis reageerivad mitte ainult valguse intensiivsusele, vaid ka keerukamatele viisidele. Kui kõrge intensiivsusega valgus tabab mittelineaarset materjali, võib see toota uusi värve või muuta valgust ebaharilikul viisil. Näiteks võib punase tuld muuta roheliseks tuleks, kuna materjali vastus hõlmab enamat kui lihtsalt proportsionaalset muutust - see võib hõlmata sageduse kahekordistamist või muid keerulisi koostoimeid. See käitumine põhjustab keeruka optiliste efektide kogumit, mida tavalistes lineaarsetes materjalides ei täheldatud.
Lineaarsete ja mittelineaarsete optiliste tehnikate rakendused
LO hõlmab laia valikut laialdaselt kasutatavaid optilisi tehnoloogiaid, sealhulgas läätsed, peeglid, laineplaadid ja difraktsioonivõtmised. See pakub lihtsa ja arvutatava raamistiku valguse käitumise mõistmiseks enamikus optilistes süsteemides. Selliseid seadmeid nagu faasi käiguvahetajad ja tala lõhestajad kasutatakse sageli LO -s ja väli on arenenud punktini, kus LO vooluahelad on saavutanud esiletõstmise. Neid vooluahelaid peetakse nüüd multifunktsionaalseteks tööriistadeks, rakendused sellistes valdkondades nagu mikrolaine ja kvant optiline signaalitöötlus ning tekkivad bioheuristlikud arvutite arhitektuurid. NLO on suhteliselt uus ja on oma mitmekesiste rakenduste kaudu muutnud erinevaid valdkondi. Telekommunikatsiooni valdkonnas mängib see võtmerolli kiudoptilistes süsteemides, mõjutades laservõimsuse suurenedes andmeedastuse piire. Analüütilised tööriistad saavad NLO kasuks täiustatud mikroskoopia tehnikate, näiteks konfokaalse mikroskoopia kaudu, mis tagab kõrge eraldusvõimega lokaliseeritud pildistamise. NLO suurendab ka lasereid, võimaldades uute laserite arendamist ja optilisi omadusi modifitseerida. Samuti on see parandanud farmatseutiliseks kasutamiseks mõeldud optiliste kuvamise tehnikaid, kasutades selliseid meetodeid nagu teise harmooniline genereerimine ja kahe footoni fluorestsents. Biofotoonikas hõlbustab NLO minimaalse kahjustusega kudede sügavat kuvamist ja annab märgistamise vaba biokeemilise kontrasti. Valdkonnal on täiustatud Teraherzi tehnoloogia, mis võimaldab luua intensiivseid üheperioodilisi Teraherzi impulsse. Kvantoptika korral hõlbustavad mittelineaarsed efektid kvantsidet sagedusmuundurite ja takerdunud footoni ekvivalentide ettevalmistamise kaudu. Lisaks aitasid NLO uuendused Brillouini hajumises mikrolaine töötlemisel ja kerge faasi konjugeerimisel. Üldiselt jätkab NLO tehnoloogia ja teadusuuringute piire erinevate erialade osas.
Lineaarne ja mittelineaarne optika ning nende mõju arenenud tehnoloogiatele
Optika mängib võtmerolli nii igapäevastes rakendustes kui ka arenenud tehnoloogiates. LO loob aluse paljudele tavalistele optilistele süsteemidele, samas kui NLO juhib innovatsiooni sellistes valdkondades nagu telekommunikatsioon, mikroskoopia, lasertehnoloogia ja biofotoonika. Viimased edusammud NLO-s, eriti kui need on seotud kahemõõtmeliste materjalidega, on nende võimalike tööstus- ja teaduslike rakenduste tõttu palju tähelepanu saanud. Teadlased uurivad ka tänapäevaseid materjale, näiteks kvantpunktid lineaarsete ja mittelineaarsete omaduste järjestikuse analüüsi abil. Uuringute edenedes on LO ja NLO kombineeritud arusaam tehnoloogia piiride tõukamiseks ja optilise teaduse võimaluste laiendamisel kriitilise tähtsusega.
Postiaeg: 11. november 20124