Yleiskatsaus lineaarisesta optiikasta ja epälineaarisesta optiikasta
Valon vuorovaikutuksen perusteella aineen kanssa optiikka voidaan jakaa lineaariseen optiikkaan (LO) ja epälineaariseen optiikkaan (NLO). Lineaarinen optiikka (LO) on klassisen optiikan perusta, joka keskittyy valon lineaarisiin vuorovaikutuksiin. Sitä vastoin epälineaarinen optiikka (NLO) tapahtuu, kun valon voimakkuus ei ole suoraan verrannollinen materiaalin optiseen vasteeseen, etenkin korkean häikäisyn olosuhteissa, kuten laserit.
Lineaarinen optiikka (LO)
LO: ssa valo on vuorovaikutuksessa aineen kanssa matalalla intensiteetillä, joihin liittyy tyypillisesti yksi fotonia atomia tai molekyyliä kohti. Tämä vuorovaikutus johtaa atomi- tai molekyylitilan minimaaliseen vääristymiseen, joka jää sen luonnolliseen, häiriöttömään tilaan. LO: n perusperiaate on, että sähkökentän indusoima dipoli on suoraan verrannollinen kentän lujuuteen. Siksi LO täyttää superposition ja lisäyksen periaatteet. Superpositioperiaatteessa todetaan, että kun järjestelmälle altistetaan useita sähkömagneettisia aaltoja, kokonaisvaste on yhtä suuri kuin jokaisen aallon yksittäisten vasteiden summa. Lisäys osoittaa samalla tavalla, että monimutkaisen optisen järjestelmän yleinen vaste voidaan määrittää yhdistämällä sen yksittäisten elementtien vasteet. LO: n lineaarisuus tarkoittaa, että valonkäyttäytyminen on vakio, kun voimakkuus muuttuu - lähtö on verrannollinen tuloon. Lisäksi LO: ssa ei ole taajuuden sekoittumista, joten tällaisen järjestelmän läpi kulkeva valo säilyttää taajuutensa, vaikka se tehdään monistus- tai vaihemuutoksesta. Esimerkkejä LO: sta ovat valon vuorovaikutus optisten peruselementtien, kuten linssien, peilien, aaltolevyjen ja diffraktiohäiriöiden kanssa.
Epälineaarinen optiikka (NLO)
NLO erottuu epälineaarisesta vasteestaan voimakkaan valon suhteen, etenkin korkean intensiteetin olosuhteissa, joissa lähtö on suhteettomia syöttölujuuteen. NLO: ssa useat fotonit ovat vuorovaikutuksessa materiaalin kanssa samanaikaisesti, mikä johtaa valon sekoittamiseen ja taitekerroksen muutoksiin. Toisin kuin LO: ssa, jossa kevyt käyttäytyminen pysyy yhdenmukaisena voimakkuudesta riippumatta, epälineaariset vaikutukset ilmenevät vain äärimmäisissä valon voimakkuuksissa. Tällä intensiteetillä säännöt, jotka yleensä hallitsevat valovuorovaikutuksia, kuten superpositioperiaatetta, eivät enää sovelleta, ja jopa itse tyhjiö voi käyttäytyä epälineaarisesti. Valon ja aineen välisen vuorovaikutuksen epälineaarisuus mahdollistaa eri valotaajuuksien välisen vuorovaikutuksen, mikä johtaa ilmiöihin, kuten harmoniseen muodostumiseen, ja summan ja erotaajuuden muodostumiseen. Lisäksi epälineaarinen optiikka sisältää parametriset prosessit, joissa valoenergia jakautuu uudelleen uusien taajuuksien tuottamiseksi, kuten parametrisen monistuksen ja värähtelyn perusteella. Toinen tärkeä ominaisuus on omavaihe modulaatio, jossa valoaallon vaihe muuttuu omalla intensiteetillään-vaikutus, jolla on ratkaiseva rooli optisessa viestinnässä.
Valon vuorovaikutukset lineaarisessa ja epälineaarisessa optiikassa
LO: ssa, kun valo on vuorovaikutuksessa materiaalin kanssa, materiaalin vaste on suoraan verrannollinen valon voimakkuuteen. Sitä vastoin NLO sisältää materiaaleja, jotka reagoivat paitsi valon voimakkuuteen, myös monimutkaisemmilla tavoilla. Kun korkean intensiteetin valo osuu epälineaariseen materiaaliin, se voi tuottaa uusia värejä tai muuttaa valoa epätavallisilla tavoilla. Esimerkiksi punainen valo voidaan muuntaa vihreäksi valoksi, koska materiaalin vaste sisältää enemmän kuin vain suhteellisen muutoksen - se voi sisältää taajuuden kaksinkertaistumisen tai muut monimutkaiset vuorovaikutukset. Tämä käyttäytyminen johtaa monimutkaiseen optisten vaikutusten joukkoon, jota ei ole nähty tavallisissa lineaarisissa materiaaleissa.
Lineaaristen ja epälineaaristen optisten tekniikoiden sovellukset
LO kattaa laajan valikoiman laajasti käytettyjä optisia tekniikoita, mukaan lukien linssit, peilit, aaltolevyt ja diffraktiohäiriöt. Se tarjoaa yksinkertaisen ja laskettavan kehyksen valon käyttäytymisen ymmärtämiseksi useimmissa optisissa järjestelmissä. Laitteita, kuten vaihesiirtimiä ja säteen jakajia, käytetään usein LO: ssa, ja kenttä on kehittynyt siihen pisteeseen, että LO -piirit ovat saaneet näkyvyyttä. Näitä piirejä pidetään nyt monitoimisina työkaluina, joilla on sovelluksia sellaisilla alueilla kuin mikroaaltouuni ja kvanttioptinen signaalinkäsittely ja nousevat bioheuristiset laskentaarkkitehtuurit. NLO on suhteellisen uusi ja on muuttanut erilaisia aloja monipuolisten sovellustensa kautta. Televiestinnän alalla sillä on avainrooli kuituoptisissa järjestelmissä, mikä vaikuttaa tiedonsiirtorajoihin laservoiman kasvaessa. Analyyttiset työkalut hyötyvät NLO: sta edistyneillä mikroskopiatekniikoilla, kuten konfokaalimikroskopialla, joka tarjoaa korkearesoluutioisen, paikallisen kuvantamisen. NLO parantaa myös lasereita mahdollistamalla uusien laserien kehittämisen ja muokkaamalla optisia ominaisuuksia. Se on myös parantanut optisia kuvantamistekniikoita farmaseuttiseen käyttöön käyttämällä menetelmiä, kuten toisen harmonisen muodostumisen ja kaksifotonin fluoresenssia. Biofotoniikassa NLO helpottaa kudosten syvää kuvantamista, jolla on vähän vaurioita ja tarjoaa merkitsemisen vapaan biokemiallisen kontrastin. Kenttä on edistynyt terahertsitekniikka, mikä mahdollistaa voimakkaiden yhden jakson terahertsipulssien luomisen. Kvanttioptiikassa epälineaariset vaikutukset helpottavat kvanttiviestintää taajuusmuuntimien ja takertuneiden fotonikekvivalenttien valmistamisen kautta. Lisäksi NLO: n Brillouin -sironnan innovaatiot auttoivat mikroaaltouunien käsittelyssä ja valon vaiheen konjugaatiossa. Kaiken kaikkiaan NLO jatkaa tekniikan ja tutkimuksen rajoja eri tieteenaloilla.
Lineaarinen ja epälineaarinen optiikka ja niiden vaikutukset edistyneeseen tekniikkaan
Optiikka on avainasemassa sekä jokapäiväisessä sovelluksessa että edistyneessä tekniikassa. LO tarjoaa perustan monille yleisille optisille järjestelmille, kun taas NLO ajaa innovaatioita esimerkiksi televiestinnän, mikroskopian, lasertekniikan ja biofotonikan alueilla. Viimeaikaiset edistykset NLO: ssa, etenkin kun ne liittyvät kaksiulotteisiin materiaaleihin, ovat saaneet paljon huomiota mahdollisten teollisuus- ja tieteellisten sovellustensa vuoksi. Tutkijat tutkivat myös moderneja materiaaleja, kuten kvanttipisteitä lineaaristen ja epälineaaristen ominaisuuksien peräkkäisellä analyysillä. Tutkimuksen edetessä yhdistetty ymmärtäminen LO: sta ja NLO: sta on kriittistä tekniikan rajojen työntämiseksi ja optisen tieteen mahdollisuuksien laajentamiseksi.
Viestin aika: marraskuu-11-2024