선형 광학 및 비선형 광학의 개요
빛과 물질의 상호 작용에 기초하여, 광학은 선형 광학 (LO) 및 비선형 광학 (NLO)으로 나눌 수 있습니다. 선형 광학 (LO)은 빛의 선형 상호 작용에 중점을 둔 고전 광학의 기초입니다. 대조적으로, 비선형 광학 (NLO)은 광강이 재료의 광학 반응, 특히 레이저와 같은 고유 한 조건에서 직접적으로 비례하지 않을 때 발생합니다.
선형 광학 (LO)
LO에서, 광은 낮은 강도에서 물질과 상호 작용하며, 일반적으로 원자 또는 분자 당 하나의 광자를 포함한다. 이 상호 작용은 원자력 또는 분자 상태의 최소 왜곡을 초래하며 자연적이고 방해받지 않은 상태로 남아 있습니다. LO의 기본 원리는 전기장에 의해 유도 된 쌍극자가 전계 강도에 직접 비례한다는 것입니다. 따라서, 중첩과 부가성의 원리를 충족시킵니다. 중첩 원리는 시스템이 다수의 전자기파에 노출 될 때 총 응답은 각 파도에 대한 개별 반응의 합과 같다고 명시한다. 부가 작용은 마찬가지로 복잡한 광학 시스템의 전반적인 반응이 개별 요소의 응답을 결합하여 결정될 수 있음을 보여줍니다. LO의 선형성은 강도가 변함에 따라 광 동작이 일정하다는 것을 의미합니다. 출력은 입력에 비례합니다. 또한, LO에는 주파수 혼합이 없으므로 그러한 시스템을 통과하는 빛은 증폭 또는 위상 변형을 겪는 경우에도 주파수를 유지합니다. LO의 예는 렌즈, 거울, 파도 및 회절 격자와 같은 기본 광학 요소와 빛의 상호 작용을 포함합니다.
비선형 광학 (NLO)
NLO는 특히 출력이 입력 강도에 불균형하는 높은 강도 조건에서 강한 빛에 대한 비선형 반응으로 구별됩니다. NLO에서, 다수의 광자는 동시에 물질과 상호 작용하여 빛의 혼합 및 굴절률의 변화를 초래한다. LO와 달리, 강도에 관계없이 빛 행동이 일관성이 유지되는 LO와는 달리, 비선형 효과는 극도의 빛 강도에서만 분명해집니다. 이러한 강도에서, 중첩 원리와 같은 광 상호 작용을 일반적으로 지배하는 규칙은 더 이상 적용되지 않으며, 심지어 진공 자체조차도 비선형 적으로 작동 할 수 있습니다. 빛과 물질 사이의 상호 작용의 비선형 성은 서로 다른 광 주파수 사이의 상호 작용을 허용하여 고조파 생성과 같은 현상, 합 및 차이 주파수 생성을 초래합니다. 또한, 비선형 광학에는 파라 메트릭 증폭 및 진동에서 볼 수 있듯이 광 에너지가 새 주파수를 생성하도록 분산되는 파라 메트릭 프로세스가 포함됩니다. 또 다른 중요한 특징은 자체 상 변조로, 광파의 단계가 자체 강도에 의해 변경되는데, 이는 광 통신에서 중요한 역할을하는 효과입니다.
선형 및 비선형 광학에서의 빛의 상호 작용
LO에서, 빛이 재료와 상호 작용할 때, 재료의 반응은 빛의 강도에 직접 비례한다. 대조적으로, NLO는 빛의 강도뿐만 아니라보다 복잡한 방식으로 반응하는 재료를 포함합니다. 고강도 빛이 비선형 재료에 부딪히면 새로운 색상을 생성하거나 비정상적인 방식으로 빛을 바꿀 수 있습니다. 예를 들어, 재료의 반응은 비례 적 변화 이상을 포함하기 때문에 적색광은 녹색광으로 변환 될 수 있습니다. 주파수 배가 또는 기타 복잡한 상호 작용이 포함될 수 있습니다. 이 동작은 일반 선형 재료에서는 보이지 않는 복잡한 광학 효과 세트로 이어집니다.
선형 및 비선형 광학 기술의 응용
LO는 렌즈, 거울, 파도 플레이트 및 회절 격자를 포함하여 널리 사용되는 광범위한 광학 기술을 다룹니다. 대부분의 광학 시스템에서 빛의 동작을 이해하기위한 간단하고 계산 가능한 프레임 워크를 제공합니다. 위상 시프터 및 빔 스플리터와 같은 장치는 종종 LO에서 사용되며 필드는 LO 회로가 두드러진 지점으로 진화했습니다. 이 회로는 이제 다기능 도구로 간주되며, 마이크로파 및 양자 광학 신호 처리 및 신흥 생물 유적 컴퓨팅 아키텍처와 같은 영역에서 응용 프로그램이 있습니다. NLO는 비교적 새롭고 다양한 응용 프로그램을 통해 다양한 분야를 변경했습니다. 통신 분야에서 광섬유 시스템에서 핵심적인 역할을하며 레이저 전력이 증가함에 따라 데이터 전송 제한에 영향을 미칩니다. 분석 도구는 고해상도, 국소화 된 이미징을 제공하는 공 초점 현미경과 같은 고급 현미경 기술을 통한 NLO의 혜택을받습니다. NLO는 또한 새로운 레이저의 개발을 가능하게하고 광학 특성을 수정하여 레이저를 향상시킵니다. 또한 제 2 호기 생성 및 2 광자 형광과 같은 방법을 사용하여 제약 사용을위한 광학 이미징 기술을 개선했습니다. 바이오 포토닉에서 NLO는 최소한의 손상으로 조직의 깊은 영상화를 촉진하고 레이블이없는 생화학 적 대비를 제공합니다. 이 분야는 Terahertz 기술을 고급하여 강렬한 단일 기간 Terahertz 펄스를 생성 할 수 있습니다. 양자 광학에서, 비선형 효과는 주파수 변환기 및 얽힌 광자 당량의 제조를 통해 양자 통신을 용이하게한다. 또한, Brillouin 산란에서 NLO의 혁신은 마이크로파 처리 및 광 상 컨쥬 게이션에 도움이되었습니다. 전반적으로 NLO는 다양한 분야에서 기술과 연구의 경계를 계속 추진하고 있습니다.
선형 및 비선형 광학 및 고급 기술에 대한 영향
광학은 일상 애플리케이션과 고급 기술 모두에서 핵심적인 역할을합니다. LO는 많은 일반적인 광학 시스템의 기초를 제공하는 반면 NLO는 통신, 현미경, 레이저 기술 및 바이오 포토닉과 같은 영역에서 혁신을 주도합니다. NLO의 최근 발전, 특히 2 차원 재료와 관련하여 잠재적 인 산업 및 과학 응용으로 인해 많은 관심을 받았습니다. 과학자들은 선형 및 비선형 특성의 순차적 분석에 의해 양자점과 같은 현대적인 재료를 탐색하고 있습니다. 연구가 발전함에 따라 LO와 NLO에 대한 결합 된 이해는 기술의 경계를 높이고 광학 과학의 가능성을 확장하는 데 중요합니다.
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