光學是物理學最古老的分支之一，早在公元前2500年就起源于埃及和美索不達米亞，當時人們用拋光石英發明了早期透鏡。

《大英百科全書》將光學定義為 “與光的起源和傳播、光所經歷和產生的變化以及與之密切相關的其他現象有關的科學 ”。

根據光與物質相互作用的方式，光學可分為線性光學和非線性光學。線性光學(LO)是經典光學的基礎，側重于光的可預測線性相互作用。

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

線性光學

在線性光學中，光以低強度與物質相互作用，通常每個原子或分子只涉及一個光子。這種相互作用使原子或分子狀態與自然、未受干擾的狀態相比發生最小的變形。

線性光學的基本原理是電場誘導的偶極子與場強成正比。因此，線性光學受疊加原理、線性原理和相加原理的制約。

疊加原理指出，當一個系統受到多個電磁波的作用時，其總響應等同于對每個電磁波的單獨響應之和。

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

非線性光學

非線性光學的特點是對強光的非線性響應，即輸出與輸入強度不成正比，尤其是在高強度條件下。在非線性光學中，多個光子同時與材料相互作用，導致光混合和折射率變化。

與線性光學不同的是，在線性光學中，無論光的強度如何，光的行為都是一致的，而非線性效應只有在極端的光強度下才會變得明顯。在這種情況下，有關光相互作用的通常規則(如疊加原理)不再適用，甚至真空本身也可能出現非線性行為。

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

此外，非線性光學還包括參量過程，即光能重新分配以產生新的頻率，如參量放大和振蕩。另一個重要特征是自相位調制，即光波的相位被其自身的強度所改變--這種效應在光通信中起著至關重要的作用。

線性和非線性光學中的光-物質相互作用

在線性光學中，當光與材料相互作用時，材料的響應與光的強度成正比。相比之下，非線性光學涉及的材料不僅對光的強度有反應，而且反應方式更為復雜。

例如，紅光可能會轉換成綠光，因為材料的反應不僅僅是比例變化，還包括頻率倍增等效應或其他復雜的相互作用。

這種行為會產生一系列復雜的光學效應，而這些效應在普通的線性材料中是看不到的。

線性和非線性光學技術的應用

線性光學涵蓋一系列廣泛應用的光學技術，包括透鏡、反射鏡、波片和衍射光柵。它為理解大多數光學系統中的光行為提供了一個直接且可預測的框架。

線性光學中經常使用移相器和分光鏡等器件，而且線性光學電路在該領域已取得了長足的進步。這些電路現在被視為多功能工具，可應用于微波和量子光學信號處理等領域，以及新興的生物啟發計算架構。

非線性光學是一種相對現代的技術，其多樣化的應用改變了各個領域。在電信領域，非線性光學在光纖系統中發揮著至關重要的作用，隨著激光功率的增加，它影響著數據傳輸的極限。非線性光學通過共焦顯微鏡等先進的顯微鏡技術提供高分辨率的局部成像，使分析工具從中受益。

非線性光學還通過開發新型激光器和改變光特性來增強激光器的性能。它還利用二次諧波發生和雙光子熒光等方法改進了藥品的光學成像技術。

在生物光子學中，非線性效應有助于以最小的損傷進行更深層的組織成像，并提供無標記的生化對比。此外，非線性光學還推動了布里淵散射的創新，有助于微波處理和光學相位共軛。

總體而言，非線性光學不斷推動著各學科技術和研究的發展。

線性和非線性光學及其對先進技術的影響

光學在日常應用和先進技術中都發揮著至關重要的作用。線性光學(LO)為許多常見的光學系統奠定了基礎，而非線性光學(NLO)則推動了電信、顯微鏡、激光技術和生物光子學等領域的創新。

正如《先進光學材料》(Advanced Optical Materials)雜志最近發表的一篇文章所討論的，非線性光學的最新進展，尤其是二維材料的進展，因其潛在的工業和科學應用而備受關注。

科學家們還在探索量子點等現代材料，對其線性和非線性特性進行連續分析，詳見最近發表在《物理快報 A》上的一篇文章。

隨著研究的不斷深入，對線性光學和非線性光學的綜合理解對于拓展光學科學的技術邊界和可能性仍然至關重要。

審核編輯 黃宇