Visió general de l'òptica lineal i no lineal

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

Basant-se en 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)
En l'òptica de loupe (LO), la llum interactua amb la matèria a baixes intensitats, normalment amb un fotó per àtom o molècula. Aquesta interacció resulta en una mínima distorsió de l'estat atòmic o molecular, que roman en el seu estat natural i inalterat. El principi bàsic de l'LO és que un dipol induït per un camp elèctric és directament proporcional a la intensitat del camp. Per tant, l'LO compleix els principis de superposició i additivitat. El principi de superposició estableix que quan un sistema se sotmet 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 a través d'aquest sistema conserva la seva freqüència fins i tot si pateix amplificació o modificació de fase. Exemples d'LO inclouen la interacció de la llum amb elements òptics bàsics com ara lents, miralls, plaques d'ones i xarxes de difracció.

Òptica no lineal (NLO)
L'òptica no lineal (NLO) es distingeix per la seva resposta no lineal a la llum forta, especialment en condicions d'alta intensitat on la sortida és desproporcionada respecte a la intensitat d'entrada. En NLO, múltiples fotons interactuen amb el material alhora, donant lloc a la barreja de la llum i canvis en l'índex de refracció. A diferència de l'OL, on el comportament de la llum es manté consistent 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 mateix es pot comportar de manera no lineal. La no linealitat en la interacció entre la llum i la matèria permet la interacció entre diferents freqüències de llum, donant lloc a fenòmens com la generació harmònica i la generació de freqüències de suma i diferència. A més, l'òptica no lineal inclou processos paramètrics en què l'energia lumínica es redistribueix per produir noves freqüències, com es veu en l'amplificació i l'oscil·lació paramètriques. Una altra característica important és la modulació d'autofase, en què la fase d'una ona de llum es canvia 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 l'òptica de línia (LO), quan la llum interactua amb un material, la resposta del material és directament proporcional a la intensitat de la llum. En canvi, l'òptica no lineal (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 incideix sobre 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 simple canvi proporcional: pot incloure la 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
L'OL cobreix una àmplia gamma de tecnologies òptiques àmpliament utilitzades, incloent lents, miralls, plaques d'ones i xarxes de difracció. Proporciona un marc senzill i computable per comprendre el comportament de la llum en la majoria dels sistemes òptics. Dispositius com ara canviadors de fase i divisors de feix s'utilitzen sovint en l'OL, i el camp ha evolucionat fins al punt que els circuits de l'OL han guanyat protagonisme. Aquests circuits ara es consideren eines multifuncionals, amb aplicacions en àrees com el processament de senyals òptics quàntics i de microones i arquitectures de computació bioheurística emergents. L'OLN és relativament nou i ha canviat diversos camps a través de les seves diverses aplicacions. En el camp 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 l'OLN a través de tècniques avançades de microscòpia com la microscòpia confocal, que proporciona imatges localitzades d'alta resolució. L'OLN 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 segons harmònics i la fluorescència de dos fotons. En biofotònica, l'NLO facilita la imatge profunda dels teixits amb un dany mínim i proporciona un contrast bioquímic sense marcatge. El camp disposa de tecnologia avançada de terahertz, que permet generar polsos intensos de terahertz d'un sol període. En 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 l'NLO en la dispersió de Brillouin van ajudar amb el processament de microones i la conjugació de la fase lluminosa. En general, l'NLO continua ampliant els límits de la tecnologia i la recerca en diverses disciplines.

Òptica lineal i no lineal i les seves implicacions per a les tecnologies avançades
L'òptica juga un paper clau tant en les aplicacions quotidianes com en les tecnologies avançades. L'òptica de línia (LO) proporciona la base de molts sistemes òptics comuns, mentre que l'òptica no lineal (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 a 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 recerca, una comprensió combinada de LO i NLO és fonamental per ampliar els límits de la tecnologia i ampliar les possibilitats de la ciència òptica.