نمای کلی از اپتیک خطی و غیرخطی

نمای کلی از اپتیک خطی و اپتیک غیرخطی

بر اساس تعامل نور با ماده ، اپتیک می تواند به اپتیک خطی (LO) و اپتیک غیرخطی (NLO) تقسیم شود. اپتیک خطی (LO) پایه و اساس اپتیک کلاسیک است و با تمرکز بر تعامل خطی نور. در مقابل ، اپتیک غیرخطی (NLO) زمانی اتفاق می افتد که شدت نور به طور مستقیم با پاسخ نوری مواد ، به ویژه در شرایط درخشنده بالا مانند لیزرها متناسب نباشد.

اپتیک خطی (LO)
در LO ، نور با شدت کم با ماده در تعامل است ، به طور معمول شامل یک فوتون در هر اتم یا مولکول است. این تعامل منجر به تحریف حداقل وضعیت اتمی یا مولکولی می شود و در حالت طبیعی و دست نخورده آن باقی مانده است. اصل اساسی در LO این است که دو قطبی ناشی از یک میدان الکتریکی به طور مستقیم با قدرت میدان متناسب است. بنابراین ، LO اصول فوق العاده و افزودنی را برآورده می کند. در اصل فرضیه بیان می شود که وقتی یک سیستم در معرض امواج الکترومغناطیسی متعدد قرار می گیرد ، پاسخ کل برابر با مجموع پاسخ های فردی به هر موج است. افزودنی به طور مشابه نشان می دهد که پاسخ کلی یک سیستم نوری پیچیده را می توان با ترکیب پاسخ عناصر فردی آن تعیین کرد. خطی بودن در LO به این معنی است که رفتار نور با تغییر شدت ثابت است - خروجی متناسب با ورودی است. علاوه بر این ، در LO ، هیچ فرکانس اختلاط وجود ندارد ، بنابراین عبور از چنین سیستمی فرکانس خود را حفظ می کند حتی اگر تحت تقویت یا اصلاح فاز قرار بگیرد. نمونه هایی از LO شامل تعامل نور با عناصر نوری اساسی مانند لنزها ، آینه ها ، صفحات موج و توری های پراش است.

اپتیک غیرخطی (NLO)
NLO با پاسخ غیرخطی خود به نور قوی ، به ویژه در شرایط با شدت زیاد که خروجی با استحکام ورودی متناسب است ، متناسب است. در NLO ، چندین فوتون به طور همزمان با مواد در تعامل هستند و در نتیجه مخلوط کردن نور و تغییر در ضریب انکسار ایجاد می شود. بر خلاف LO ، جایی که رفتار نور بدون در نظر گرفتن شدت همچنان سازگار است ، اثرات غیرخطی فقط در شدت نور شدید آشکار می شود. با این شدت ، قوانینی که به طور معمول حاکم بر تعامل های سبک مانند اصل ابر است ، دیگر اعمال نمی شود و حتی خود خلاء ممکن است به طور غیرخطی رفتار کند. غیرخطی بودن در تعامل بین نور و ماده امکان تعامل بین فرکانس های مختلف نور را فراهم می کند ، در نتیجه پدیده هایی مانند تولید هارمونیک و تولید فرکانس جمع و اختلاف ایجاد می شود. علاوه بر این ، اپتیک غیرخطی شامل فرآیندهای پارامتری است که در آن انرژی نور برای تولید فرکانس های جدید توزیع می شود ، همانطور که در تقویت پارامتری و نوسان مشاهده می شود. یکی دیگر از ویژگی های مهم مدولاسیون خود فاز است که در آن فاز یک موج نور با شدت خاص خود تغییر می کند-اثری که نقش مهمی در ارتباطات نوری دارد.

تعامل با ماده نور در اپتیک خطی و غیرخطی
در LO ، هنگامی که نور با یک ماده در تعامل است ، پاسخ ماده به طور مستقیم با شدت نور متناسب است. در مقابل ، NLO شامل موادی است که نه تنها به شدت نور ، بلکه به روش های پیچیده تری نیز پاسخ می دهند. هنگامی که نور با شدت بالا به یک ماده غیرخطی برخورد می کند ، می تواند رنگ های جدیدی ایجاد کند یا نور را به روش های غیرمعمول تغییر دهد. به عنوان مثال ، چراغ قرمز ممکن است به چراغ سبز تبدیل شود زیرا پاسخ این ماده بیش از یک تغییر متناسب است - ممکن است شامل دو برابر شدن فرکانس یا سایر تعامل های پیچیده باشد. این رفتار منجر به مجموعه ای پیچیده از اثرات نوری می شود که در مواد خطی معمولی دیده نمی شود.

کاربردهای تکنیک های نوری خطی و غیرخطی
LO طیف گسترده ای از فن آوری های نوری به طور گسترده استفاده شده از جمله لنزها ، آینه ها ، صفحات موج و توری های پراش را پوشش می دهد. این یک چارچوب ساده و محاسبه برای درک رفتار نور در اکثر سیستم های نوری فراهم می کند. دستگاه هایی مانند شیفت های فاز و تقسیم کننده پرتو اغلب در LO استفاده می شوند و این میدان تا جایی تکامل یافته است که مدارهای LO برجستگی کسب کرده اند. این مدارها اکنون به عنوان ابزارهای چند منظوره دیده می شوند و برنامه هایی در مناطقی مانند پردازش سیگنال نوری مایکروویو و کوانتومی و معماری های محاسباتی بیوهوریستی در حال ظهور دارند. NLO نسبتاً جدید است و زمینه های مختلف را از طریق برنامه های متنوع خود تغییر داده است. در زمینه ارتباطات از راه دور ، نقش مهمی در سیستم های فیبر نوری دارد و با افزایش قدرت لیزر ، محدودیت انتقال داده را تحت تأثیر قرار می دهد. ابزارهای تحلیلی از NLO از طریق تکنیک های میکروسکوپی پیشرفته مانند میکروسکوپ کانفوکال ، که تصویربرداری با وضوح بالا و محلی را فراهم می کند ، بهره مند می شوند. NLO همچنین با فعال کردن لیزر جدید و اصلاح خصوصیات نوری ، لیزرها را تقویت می کند. همچنین با استفاده از روش هایی مانند تولید هارمونیک دوم و فلورسانس دو فوتونی ، تکنیک های تصویربرداری نوری برای استفاده دارویی را بهبود بخشیده است. در بیوفوتونیک ، NLO تصویربرداری عمیق از بافت ها با حداقل آسیب را تسهیل می کند و برچسب زدن کنتراست بیوشیمیایی رایگان را فراهم می کند. این زمینه دارای فناوری پیشرفته Terahertz است و باعث می شود پالس های ترهرتز تک دوره ای شدید تولید شود. در اپتیک کوانتومی ، اثرات غیرخطی ارتباطات کوانتومی را از طریق تهیه مبدل های فرکانس و معادل های فوتون درگیر تسهیل می کند. علاوه بر این ، نوآوری های NLO در پراکندگی بریلوین به پردازش مایکروویو و ترکیب فاز نور کمک کرد. به طور کلی ، NLO همچنان مرزهای فناوری و تحقیقات را در رشته های مختلف تحت فشار قرار می دهد.

اپتیک خطی و غیرخطی و پیامدهای آنها برای فن آوری های پیشرفته
اپتیک نقش مهمی در برنامه های روزمره و فن آوری های پیشرفته دارد. LO پایه و اساس بسیاری از سیستم های نوری متداول را فراهم می کند ، در حالی که NLO نوآوری را در مناطقی مانند ارتباطات از راه دور ، میکروسکوپ ، فناوری لیزر و بیوفوتونیک هدایت می کند. پیشرفت های اخیر در NLO ، به ویژه که مربوط به مواد دو بعدی است ، به دلیل کاربردهای بالقوه صنعتی و علمی آنها توجه زیادی را به خود جلب کرده است. دانشمندان همچنین در حال بررسی مواد مدرن مانند نقاط کوانتومی با تجزیه و تحلیل متوالی خصوصیات خطی و غیرخطی هستند. به عنوان پیشرفت تحقیقات ، درک ترکیبی از LO و NLO برای فشار دادن مرزهای فناوری و گسترش امکانات علم نوری بسیار مهم است.