Агляд лінейнай оптыкі і нелінейнай оптыкі
На падставе ўзаемадзеяння святла з рэчывам оптыку можна падзяліць на лінейную (LO) і нелінейную (NLO). Лінейная оптыка (LO) з'яўляецца асновай класічнай оптыкі, арыентаванай на лінейнае ўзаемадзеянне святла. Наадварот, нелінейная оптыка (NLO) узнікае, калі інтэнсіўнасць святла не прапарцыйная аптычнай рэакцыі матэрыялу, асабліва ва ўмовах моцнага бліку, напрыклад, лазераў.
Лінейная оптыка (LO)
У LO святло ўзаемадзейнічае з рэчывам з нізкай інтэнсіўнасцю, звычайна з удзелам аднаго фатона на атам або малекулу. Гэта ўзаемадзеянне прыводзіць да мінімальнага скажэння атамнага або малекулярнага стану, застаючыся ў натуральным, непарушаным стане. Асноўны прынцып LO заключаецца ў тым, што дыполь, індукаваны электрычным полем, прама прапарцыйны напружанасці поля. Такім чынам, LO задавальняе прынцыпам суперпазіцыі і адытыўнасці. Прынцып суперпазіцыі сцвярджае, што калі сістэма падвяргаецца ўздзеянню некалькіх электрамагнітных хваль, агульны водгук роўны суме індывідуальных адказаў на кожную хвалю. Адытыўнасць аналагічным чынам паказвае, што агульны водгук складанай аптычнай сістэмы можа быць вызначаны шляхам аб'яднання водгукаў яе асобных элементаў. Лінейнасць у LO азначае, што паводзіны святла нязменныя пры змене інтэнсіўнасці - выхад прапарцыйны ўваходу. Акрамя таго, у LO адсутнічае змешванне частот, таму святло, які праходзіць праз такую сістэму, захоўвае сваю частату, нават калі ён падвяргаецца ўзмацненню або мадыфікацыі фазы. Прыклады LO ўключаюць у сябе ўзаемадзеянне святла з асноўнымі аптычнымі элементамі, такімі як лінзы, люстэркі, хвалевыя пласціны і дыфракцыйныя рашоткі.
Нелінейная оптыка (NLO)
NLO адрозніваецца сваёй нелінейнай рэакцыяй на моцнае святло, асабліва ва ўмовах высокай інтэнсіўнасці, калі выхад непрапарцыйны сіле ўваходу. У NLO некалькі фатонаў адначасова ўзаемадзейнічаюць з матэрыялам, што прыводзіць да змешвання святла і змены паказчыка праламлення. У адрозненне ад LO, дзе паводзіны святла застаюцца нязменнымі незалежна ад інтэнсіўнасці, нелінейныя эфекты становяцца відавочнымі толькі пры надзвычайнай інтэнсіўнасці святла. Пры такой інтэнсіўнасці правілы, якія звычайна рэгулююць узаемадзеянне святла, такія як прынцып суперпазіцыі, больш не прымяняюцца, і нават сам вакуум можа паводзіць сябе нелінейна. Нелінейнасць узаемадзеяння паміж святлом і матэрыяй дазваляе ўзаемадзейнічаць паміж рознымі частотамі святла, што прыводзіць да такіх з'яў, як генерацыя гарманічных, а таксама генерацыя сумарнай і рознаснай частот. Акрамя таго, нелінейная оптыка ўключае параметрычныя працэсы, у якіх светлавая энергія пераразмяркоўваецца для атрымання новых частот, як відаць у параметрычным узмацненні і ваганні. Яшчэ адной важнай асаблівасцю з'яўляецца самафазавая мадуляцыя, пры якой фаза светлавой хвалі змяняецца яе ўласнай інтэнсіўнасцю - эфект, які гуляе вырашальную ролю ў аптычнай сувязі.
Узаемадзеянне святла і рэчыва ў лінейнай і нелінейнай оптыцы
У LO, калі святло ўзаемадзейнічае з матэрыялам, рэакцыя матэрыялу прама прапарцыйная інтэнсіўнасці святла. Наадварот, NLO ўключае матэрыялы, якія рэагуюць не толькі на інтэнсіўнасць святла, але і больш складанымі спосабамі. Калі высокаінтэнсіўнае святло трапляе на нелінейны матэрыял, яно можа ствараць новыя колеры або змяняць святло незвычайным чынам. Напрыклад, чырвонае святло можа быць пераўтворана ў зялёнае, таму што рэакцыя матэрыялу ўключае больш, чым проста прапарцыйнае змяненне - яно можа ўключаць падваенне частоты або іншыя складаныя ўзаемадзеяння. Такія паводзіны прыводзяць да складанага набору аптычных эфектаў, якіх не назіраецца ў звычайных лінейных матэрыялах.
Прымяненне лінейных і нелінейных аптычных метадаў
LO ахоплівае шырокі спектр шырока выкарыстоўваюцца аптычных тэхналогій, уключаючы лінзы, люстэркі, хвалевыя пласціны і дыфракцыйныя рашоткі. Ён забяспечвае простую і вылічальную аснову для разумення паводзін святла ў большасці аптычных сістэм. Такія прылады, як фазовращатели і раздзяляльнікі прамяня, часта выкарыстоўваюцца ў LO, і гэтая сфера развілася да такой ступені, што схемы LO набылі вядомасць. Цяпер гэтыя схемы разглядаюцца як шматфункцыянальныя інструменты з прымяненнем у такіх галінах, як мікрахвалевая і квантавая аптычная апрацоўка сігналаў і новыя біяэўрыстычныя вылічальныя архітэктуры. NLO з'яўляецца адносна новым і змяніў розныя сферы дзякуючы сваім разнастайным прымяненням. У галіне тэлекамунікацый ён адыгрывае ключавую ролю ў валаконна-аптычных сістэмах, уплываючы на абмежаванні перадачы даных па меры павелічэння магутнасці лазера. Аналітычныя інструменты атрымліваюць карысць ад NLO за кошт перадавых метадаў мікраскапіі, такіх як канфакальная мікраскапія, якая забяспечвае лакалізаваныя выявы высокай раздзяляльнасці. NLO таксама паляпшае лазеры, дазваляючы распрацоўваць новыя лазеры і мадыфікуючы аптычныя ўласцівасці. Ён таксама палепшыў метады аптычнай візуалізацыі для фармацэўтычнага выкарыстання з дапамогай такіх метадаў, як генерацыя другой гармонікі і двухфатонная флуарэсцэнцыя. У біяфатоніцы NLO палягчае глыбокую візуалізацыю тканін з мінімальнымі пашкоджаннямі і забяспечвае біяхімічны кантраст без маркіроўкі. Поле мае перадавую тэрагерцавую тэхналогію, якая дазваляе генераваць інтэнсіўныя аднаперыядныя тэрагерцавыя імпульсы. У квантавай оптыцы нелінейныя эфекты палягчаюць квантавую сувязь праз падрыхтоўку пераўтваральнікаў частоты і эквівалентаў заблытаных фатонаў. Акрамя таго, інавацыі NLO ў галіне рассейвання Брылюэна дапамаглі ў мікрахвалевай апрацоўцы і спалучэнні светлавой фазы. У цэлым NLO працягвае пашыраць межы тэхналогій і даследаванняў у розных дысцыплінах.
Лінейная і нелінейная оптыка і іх значэнне для перадавых тэхналогій
Оптыка гуляе ключавую ролю як у паўсядзённым прымяненні, так і ў перадавых тэхналогіях. LO забяспечвае аснову для многіх распаўсюджаных аптычных сістэм, у той час як NLO рухае інавацыі ў такіх галінах, як тэлекамунікацыі, мікраскапія, лазерныя тэхналогіі і біяфатоніка. Апошнія дасягненні ў галіне NLO, у прыватнасці ў дачыненні да двухмерных матэрыялаў, атрымалі вялікую ўвагу з-за іх патэнцыйнага прамысловага і навуковага прымянення. Навукоўцы таксама даследуюць сучасныя матэрыялы, такія як квантавыя кропкі, шляхам паслядоўнага аналізу лінейных і нелінейных уласцівасцей. Па меры развіцця даследаванняў сумеснае разуменне LO і NLO мае вырашальнае значэнне для рассоўвання межаў тэхналогій і пашырэння магчымасцей оптычнай навукі.
Час публікацыі: 11 лістапада 2024 г