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 el fonament 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 de gran brillantor, com els làsers.

Optics lineals (LO)
En LO, la llum interacciona amb la matèria a baixes intensitats, normalment implicant un fotó per àtom o molècula. Aquesta interacció dóna lloc a una distorsió mínima de l’estat atòmic o molecular, romanent en el seu estat natural i no pertorbat. El principi bàsic de LO és que un dipol induït per un camp elèctric és directament proporcional a la força del camp. Per tant, LO satisfà els principis de superposició i additivitat. El principi de superposició afirma 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. De manera similar, l’additivitat demostra 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, a LO, no hi ha cap mescla de freqüència, de manera que la llum que passa per aquest sistema conserva la seva freqüència, fins i tot si experimenta una amplificació o una modificació de fase. Entre els exemples de LO són ​​la interacció de la llum amb elements òptics bàsics com ara lents, miralls, plaques d'ona i reixes de difracció.

Optics no lineals (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 amb la força d’entrada. A NLO, diversos fotons interaccionen amb el material alhora, donant lloc a la barreja de llum i canvis en l’índex de refracció. A diferència de LO, on el comportament de la llum es manté consistent independentment de la intensitat, els efectes no lineals només es fan paleses a intensitats de llum extremes. A aquesta intensitat, les regles que normalment regeixen les interaccions lleugeres, com el principi de superposició, ja no s’apliquen, i fins i tot el buit en si es poden 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 es redistribueix l’energia lleugera per produir noves freqüències, tal com es veu en l’amplificació i l’oscil·lació paramètriques. Una altra característica important és la modulació autònoma, en la qual es canvia la fase d’una ona lleugera per la seva pròpia intensitat, un efecte que té un paper crucial en la comunicació òptica.

Interaccions de llum lleugera en òptiques lineals i no lineals
A 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 arriba a 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 una 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, incloses lents, miralls, plaques d'ona i reixes de difracció. Proporciona un marc senzill i computable per comprendre el comportament de la llum en la majoria dels sistemes òptics. Dispositius com els canviadors de fase i els divisors de feix s’utilitzen sovint a LO, i el camp ha evolucionat fins al punt en què els circuits LO han guanyat protagonisme. Aquests circuits es veuen ara com a eines multifuncionals, amb aplicacions en àrees com el processament de senyal òptic de microones i quàntic i arquitectures informàtiques bioheuristes emergents. NLO és relativament nou i ha canviat diversos camps a través de les seves diverses aplicacions. En el camp de les telecomunicacions, té un paper clau en els sistemes de fibra òptica, afectant els límits de transmissió de dades a mesura que augmenta la potència 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 d’ús farmacèutic mitjançant mètodes com la generació de segona harmònica i la fluorescència de dos fotons. En biofotònic, NLO facilita la imatge profunda de teixits amb danys mínims i proporciona un contrast bioquímic lliure d’etiquetatge. El camp ha avançat la tecnologia Terahertz, cosa 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 enredats. A més, les innovacions de NLO en la dispersió de Brillouin van ajudar al processament de microones i a la conjugació en fase lleugera. En general, NLO continua impulsant els límits de la tecnologia i la investigació a través de diverses disciplines.

Optics lineals i no lineals 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 de molts sistemes òptics comuns, mentre que NLO impulsa la innovació en àrees com ara telecomunicacions, microscòpia, tecnologia làser i biofotònica. Els avenços recents en NLO, sobretot en relació amb 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 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.