Visió general de l'òptica lineal i no lineal

Visió general de l'òptica lineal i l'òptica no lineal

A partir de la interacció de la llum amb la matèria, l'òptica es pot dividir en òptica lineal (LO) i òptica no lineal (NLO). L'òptica lineal (LO) és la base de l'òptica clàssica, centrada en les interaccions lineals de la llum. En canvi, l'òptica no lineal (NLO) es produeix quan la intensitat de la llum no és directament proporcional a la resposta òptica del material, especialment en condicions d'alt enlluernament, com ara els làsers.

Òptica lineal (LO)
A LO, la llum interacciona amb la matèria a baixes intensitats, normalment implicant un fotó per àtom o molècula. Aquesta interacció té com a resultat una distorsió mínima de l'estat atòmic o molecular, romanent en el seu estat natural i no alterat. El principi bàsic en LO és que un dipol induït per un camp elèctric és directament proporcional a la intensitat del camp. Per tant, LO compleix els principis de superposició i additivitat. El principi de superposició estableix que quan un sistema està sotmès a múltiples ones electromagnètiques, la resposta total és igual a la suma de les respostes individuals a cada ona. L'additivitat mostra de manera similar que la resposta global d'un sistema òptic complex es pot determinar combinant les respostes dels seus elements individuals. La linealitat en LO significa que el comportament de la llum és constant a mesura que canvia la intensitat: la sortida és proporcional a l'entrada. A més, en LO, no hi ha barreja de freqüències, de manera que la llum que passa per aquest sistema conserva la seva freqüència encara que se sotmeti a una amplificació o modificació de fase. Alguns exemples de LO inclouen la interacció de la llum amb elements òptics bàsics com ara lents, miralls, plaques d'ona i xarxes de difracció.

Òptica no lineal (NLO)
NLO es distingeix per la seva resposta no lineal a la llum forta, especialment en condicions d'alta intensitat on la sortida és desproporcionada a la força d'entrada. A NLO, diversos fotons interactuen amb el material al mateix temps, donant lloc a una barreja de llum i canvis en l'índex de refracció. A diferència del LO, on el comportament de la llum es manté constant independentment de la intensitat, els efectes no lineals només es fan evidents a intensitats de llum extremes. A aquesta intensitat, les regles que normalment regeixen les interaccions de la llum, com ara el principi de superposició, ja no s'apliquen, i fins i tot el buit en si pot comportar-se de manera no lineal. La no linealitat en la interacció entre llum i matèria permet la interacció entre diferents freqüències de llum, donant lloc a fenòmens com la generació d'harmònics i la generació de freqüències de suma i diferència. A més, l'òptica no lineal inclou processos paramètrics en què l'energia lluminosa es redistribueix per produir noves freqüències, com es veu en l'amplificació i l'oscil·lació paramètriques. Una altra característica important és la modulació en fase pròpia, en la qual la fase d'una ona de llum es modifica per la seva pròpia intensitat, un efecte que juga un paper crucial en la comunicació òptica.

Interaccions llum-matèria en òptica lineal i no lineal
En LO, quan la llum interacciona amb un material, la resposta del material és directament proporcional a la intensitat de la llum. En canvi, NLO implica materials que responen no només a la intensitat de la llum, sinó també de maneres més complexes. Quan la llum d'alta intensitat colpeja un material no lineal, pot produir nous colors o canviar la llum de maneres inusuals. Per exemple, la llum vermella es pot convertir en llum verda perquè la resposta del material implica més que un canvi proporcional: pot incloure duplicació de freqüència o altres interaccions complexes. Aquest comportament condueix a un conjunt complex d'efectes òptics que no es veuen en materials lineals ordinaris.

Aplicacions de tècniques òptiques lineals i no lineals
LO cobreix una àmplia gamma de tecnologies òptiques àmpliament utilitzades, com ara lents, miralls, plaques d'ona i reixes de difracció. Proporciona un marc senzill i computable per entendre el comportament de la llum en la majoria de sistemes òptics. Dispositius com els desplaçadors de fase i els divisors de feix s'utilitzen sovint a LO, i el camp ha evolucionat fins al punt que els circuits LO han guanyat protagonisme. Aquests circuits es veuen ara com a eines multifuncionals, amb aplicacions en àrees com ara el processament de senyals òptica quàntica i de microones i arquitectures de computació bioheurística emergents. NLO és relativament nou i ha canviat diversos camps gràcies a les seves diverses aplicacions. En l'àmbit de les telecomunicacions, juga un paper clau en els sistemes de fibra òptica, afectant els límits de transmissió de dades a mesura que augmenta la potència del làser. Les eines analítiques es beneficien de NLO mitjançant tècniques de microscòpia avançades com la microscòpia confocal, que proporciona imatges localitzades d'alta resolució. NLO també millora els làsers permetent el desenvolupament de nous làsers i modificant les propietats òptiques. També ha millorat les tècniques d'imatge òptica per a ús farmacèutic mitjançant mètodes com la generació de segon harmònic i la fluorescència de dos fotons. En biofotònica, NLO facilita la imatge profunda dels teixits amb un dany mínim i proporciona un contrast bioquímic lliure d'etiquetatge. El camp compta amb una tecnologia avançada de terahertz, que permet generar polsos intensos de terahertz d'un sol període. En l'òptica quàntica, els efectes no lineals faciliten la comunicació quàntica mitjançant la preparació de convertidors de freqüència i equivalents de fotons entrellaçats. A més, les innovacions de NLO en la dispersió de Brillouin van ajudar amb el processament de microones i la conjugació de la fase lleugera. En general, NLO continua impulsant els límits de la tecnologia i la investigació en diverses disciplines.

Òptica lineal i no lineal i les seves implicacions per a tecnologies avançades
L'òptica té un paper clau tant en les aplicacions quotidianes com en les tecnologies avançades. LO proporciona la base per a molts sistemes òptics comuns, mentre que NLO impulsa la innovació en àrees com les telecomunicacions, la microscòpia, la tecnologia làser i la biofotònica. Els avenços recents en NLO, especialment pel que fa als materials bidimensionals, han rebut molta atenció a causa de les seves potencials aplicacions industrials i científiques. Els científics també estan explorant materials moderns com els punts quàntics mitjançant l'anàlisi seqüencial de propietats lineals i no lineals. A mesura que avança la investigació, una comprensió combinada de LO i NLO és fonamental per impulsar els límits de la tecnologia i ampliar les possibilitats de la ciència òptica.