La mayoría de los efectos lineales o no lineales se relacionan con los materiales con los que interactúa la luz, en lugar del frente de onda de luz en sí. Se puede ver que todos los materiales (incluido el vacío) tienen cierto nivel de comportamiento no lineal cuando un frente de onda de luz se acopla al medio, especialmente a una intensidad muy alta.
La mayoría de los efectos no lineales se pueden ver cuando se usan láseres, ya que la intensidad de la luz coherente es muy alta en comparación con la mayoría de las otras fuentes de luz. A estas altas energías, muchos materiales pueden comenzar a mostrar efectos no lineales, como el índice de refracción o cambios en la fase del frente de onda, entre otras cosas, que pueden cambiar a diferentes velocidades a diferentes intensidades, los materiales dieléctricos muestran efectos no lineales a niveles de energía más bajos que, por ejemplo, el vidrio o seleniuro de zinc.
En óptica básica, generalmente observamos efectos lineales, estos efectos de reflexión y refracción y difracción siguen reglas lineales, como cuando un haz de luz se enfoca hacia un punto por una lente, el tamaño del haz en foco puede calcularse usando matemática simple relación entre la curvatura de la lente y la distancia focal y, por lo tanto, podemos usar relaciones lineales para modelar utilizando el principio de superposición.
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En los efectos no lineales, cuando se modelan matemáticamente, son mucho más complicados y comienzan a requerir números complejos y conjugados para describir los efectos que se ven. Cuando los efectos no lineales se verían en el comportamiento de un material dieléctrico, estos no satisfacen el principio de superposición y, por lo tanto, son herramientas no lineales y matemáticas, como las ecuaciones diferenciales parciales y las transformaciones de Fourier que se requieren para describir los efectos.
