光學(xué)是物理學(xué)最古老的分支之一，早在公元前2500年就起源于埃及和美索不達(dá)米亞，當(dāng)時(shí)人們用拋光石英發(fā)明了早期透鏡。

《大英百科全書(shū)》將光學(xué)定義為 “與光的起源和傳播、光所經(jīng)歷和產(chǎn)生的變化以及與之密切相關(guān)的其他現(xiàn)象有關(guān)的科學(xué) ”。

根據(jù)光與物質(zhì)相互作用的方式，光學(xué)可分為線性光學(xué)和非線性光學(xué)。線性光學(xué)(LO)是經(jīng)典光學(xué)的基礎(chǔ)，側(cè)重于光的可預(yù)測(cè)線性相互作用。

相比之下，非線性光學(xué)(NLO)發(fā)生在光強(qiáng)度與材料光學(xué)響應(yīng)之間的相互作用不成正比的情況下，尤其是在高強(qiáng)度條件下，如激光。

線性光學(xué)

在線性光學(xué)中，光以低強(qiáng)度與物質(zhì)相互作用，通常每個(gè)原子或分子只涉及一個(gè)光子。這種相互作用使原子或分子狀態(tài)與自然、未受干擾的狀態(tài)相比發(fā)生最小的變形。

線性光學(xué)的基本原理是電場(chǎng)誘導(dǎo)的偶極子與場(chǎng)強(qiáng)成正比。因此，線性光學(xué)受疊加原理、線性原理和相加原理的制約。

疊加原理指出，當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)受到多個(gè)電磁波的作用時(shí)，其總響應(yīng)等同于對(duì)每個(gè)電磁波的單獨(dú)響應(yīng)之和。

線性光學(xué)中的線性是指光的行為不隨強(qiáng)度的變化而變化--輸出與輸入成正比。非線性光學(xué)的例子包括光與透鏡、反射鏡、波板和衍射光柵等基本光學(xué)元件的相互作用。

非線性光學(xué)

非線性光學(xué)的特點(diǎn)是對(duì)強(qiáng)光的非線性響應(yīng)，即輸出與輸入強(qiáng)度不成正比，尤其是在高強(qiáng)度條件下。在非線性光學(xué)中，多個(gè)光子同時(shí)與材料相互作用，導(dǎo)致光混合和折射率變化。

與線性光學(xué)不同的是，在線性光學(xué)中，無(wú)論光的強(qiáng)度如何，光的行為都是一致的，而非線性效應(yīng)只有在極端的光強(qiáng)度下才會(huì)變得明顯。在這種情況下，有關(guān)光相互作用的通常規(guī)則(如疊加原理)不再適用，甚至真空本身也可能出現(xiàn)非線性行為。

光-物質(zhì)相互作用的非線性使得不同光頻之間可以相互作用，從而產(chǎn)生諧波生成、和差頻率生成等現(xiàn)象。

此外，非線性光學(xué)還包括參量過(guò)程，即光能重新分配以產(chǎn)生新的頻率，如參量放大和振蕩。另一個(gè)重要特征是自相位調(diào)制，即光波的相位被其自身的強(qiáng)度所改變--這種效應(yīng)在光通信中起著至關(guān)重要的作用。

線性和非線性光學(xué)中的光-物質(zhì)相互作用

在線性光學(xué)中，當(dāng)光與材料相互作用時(shí)，材料的響應(yīng)與光的強(qiáng)度成正比。相比之下，非線性光學(xué)涉及的材料不僅對(duì)光的強(qiáng)度有反應(yīng)，而且反應(yīng)方式更為復(fù)雜。

例如，紅光可能會(huì)轉(zhuǎn)換成綠光，因?yàn)椴牧系姆磻?yīng)不僅僅是比例變化，還包括頻率倍增等效應(yīng)或其他復(fù)雜的相互作用。

這種行為會(huì)產(chǎn)生一系列復(fù)雜的光學(xué)效應(yīng)，而這些效應(yīng)在普通的線性材料中是看不到的。

線性和非線性光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用

線性光學(xué)涵蓋一系列廣泛應(yīng)用的光學(xué)技術(shù)，包括透鏡、反射鏡、波片和衍射光柵。它為理解大多數(shù)光學(xué)系統(tǒng)中的光行為提供了一個(gè)直接且可預(yù)測(cè)的框架。

線性光學(xué)中經(jīng)常使用移相器和分光鏡等器件，而且線性光學(xué)電路在該領(lǐng)域已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。這些電路現(xiàn)在被視為多功能工具，可應(yīng)用于微波和量子光學(xué)信號(hào)處理等領(lǐng)域，以及新興的生物啟發(fā)計(jì)算架構(gòu)。

非線性光學(xué)是一種相對(duì)現(xiàn)代的技術(shù)，其多樣化的應(yīng)用改變了各個(gè)領(lǐng)域。在電信領(lǐng)域，非線性光學(xué)在光纖系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，隨著激光功率的增加，它影響著數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉O限。非線性光學(xué)通過(guò)共焦顯微鏡等先進(jìn)的顯微鏡技術(shù)提供高分辨率的局部成像，使分析工具從中受益。

非線性光學(xué)還通過(guò)開(kāi)發(fā)新型激光器和改變光特性來(lái)增強(qiáng)激光器的性能。它還利用二次諧波發(fā)生和雙光子熒光等方法改進(jìn)了藥品的光學(xué)成像技術(shù)。

在生物光子學(xué)中，非線性效應(yīng)有助于以最小的損傷進(jìn)行更深層的組織成像，并提供無(wú)標(biāo)記的生化對(duì)比。此外，非線性光學(xué)還推動(dòng)了布里淵散射的創(chuàng)新，有助于微波處理和光學(xué)相位共軛。

總體而言，非線性光學(xué)不斷推動(dòng)著各學(xué)科技術(shù)和研究的發(fā)展。

線性和非線性光學(xué)及其對(duì)先進(jìn)技術(shù)的影響

光學(xué)在日常應(yīng)用和先進(jìn)技術(shù)中都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。線性光學(xué)(LO)為許多常見(jiàn)的光學(xué)系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)，而非線性光學(xué)(NLO)則推動(dòng)了電信、顯微鏡、激光技術(shù)和生物光子學(xué)等領(lǐng)域的創(chuàng)新。

正如《先進(jìn)光學(xué)材料》(Advanced Optical Materials)雜志最近發(fā)表的一篇文章所討論的，非線性光學(xué)的最新進(jìn)展，尤其是二維材料的進(jìn)展，因其潛在的工業(yè)和科學(xué)應(yīng)用而備受關(guān)注。

科學(xué)家們還在探索量子點(diǎn)等現(xiàn)代材料，對(duì)其線性和非線性特性進(jìn)行連續(xù)分析，詳見(jiàn)最近發(fā)表在《物理快報(bào) A》上的一篇文章。

隨著研究的不斷深入，對(duì)線性光學(xué)和非線性光學(xué)的綜合理解對(duì)于拓展光學(xué)科學(xué)的技術(shù)邊界和可能性仍然至關(guān)重要。

審核編輯 黃宇