[理学]2012非线性光学04 四波混频与相位共轭a.ppt

存在吸收时的简并四波混频 考虑介质的损耗（吸收和散射）时，介质的线性吸收对简并四波混频的影响 此时耦合波方程变为 作变量代换 7、吸收简并四波混频 边界条件： 返回到信号光波场得到： 相位共轭波复反射系数为 此时的无腔自振荡条件为 这是产生自振荡的必要条件，说明随着 的增大，必须提高泵浦光强。当损耗很小时（ ），振荡条件近似为 * * * 第四章 光学四波耦合过程 4.1 三次谐波与四波混频 4.2 光学相位共轭 4.1 三次谐波与四波混频 一、概述 所有材料中均存在三阶非线性光学效应。一般材料的三阶非线性光学极化率要远小于二阶极化率： 二阶：10-3----10-8 esu 三阶：10-12----10-15 esu 三次谐波 四波混频的一般过程 光学相位共轭的物理概念 简并四波混频 相位共轭波应用 二、三次谐波 讨论在各向同性介质中的三阶非线性过程。设输入光场E(t)是由沿 z 方向传播的三个不同频率的单色光场组成 相应的三阶非线性极化强度可表示为 是具有不同频率的各项极化强度之和，包括频率项： 三倍频效应是频率为 的光场入射介质产生频率为 光场的过程，其极化强度为 对三倍频效应，沿 z 方向传播的波方程为 考虑小信号情况下, 基频光在作用长度L内没有衰减，即有 在平面波近似下，三倍频光在介质中传播距离 z 后，其强度为 以功率比表示的三倍频的转换效率为 定义相干长度 ，当 时， 三倍频效率很快下降。 时， 当 三、四波混频的一般过程 考虑四个不同频率的波在介质中混频，入射波 ，合成波为 。 Nonlinear Optical Material 满足光子能量与动量守恒关系 1、一般描述 相应频率为 的波的三阶非线性极化强度为 采用沿 z 方向传播的平面波假设，则四波混频波耦合波方程中对 的方程为 同样可以写出其他频率为 的波对应的耦合波方程。此外，其他组合方式如四波的和频与差频过程 和 （ ）等过程也可能存在。 三种四波混频过程的能级类比图 在非线性介质中，到底出现那种四波混频过程取决于相位匹配条件。 2、简并四波混频 四个频率相等的四波混频过程称为简并四波混频，即 ，三阶极化率为 。在此情况下极化强度表达为 这里 。虽然简并四波混频的 4 个光子的频率相同，但是它们的波矢方向可以不相同，在相位匹配条件下必须保证 我们考虑一种特殊情况，即存在着两对波矢方向相反的光：（ ， ）和（ ， ）。若入射光为 ， 与 ，输出光 必然满足相位匹配条件： 3、简并四波混频与光全息类比 简并四波混频物理图像 一般的简并四波混频的几何配置，满足 考虑信号场的非线性极化强度 光学全息类比？ 物光波 ＋参考光波 ＝光栅（全息图） 在参考光波 照射下，可在物光 相反方向可见物的虚像（光栅反射光）；在参考光波 的照射下可得到 方向的赝像（光栅衍射光） 异同？ 光全息是分步实现的，而简并四波混频产生相位共轭波是同时的。物理过程本质上是不同的，简并四波混频在量子光学系统中，由于四个光子同时参与相互作用，相干效应可以使得系统噪音降低。 简并四波混频与光全息类比 4.2 光学相位共轭 一、相位共轭波定义 一个光波场的相位共轭波是该光波场的具有镜像对称相位分布的复制。沿着光波的传播方向观察，相位共轭波的波前空间分布总是和原光波场相反。这相当于空间复振幅进行复共轭运算后得到的一种光波。 按照相位共轭波的定义，物波的相位共轭波为 这里 分别对应背向相位共轭波(与物波传输方向相反)和前向相位共轭波(与物波传输方向相同)。 相位共轭波并不是原光场总表示式的复共轭，而是空间复振幅的复共轭，完全不涉及光场表示式中的时间相位因子。 一般情况下，相位共轭波有相同频率。但在一些非线性过程中，例如SBS、SRS，其背向散射光场的复振幅也是入射光场复振幅的复共轭，但是它们的频率不同，尽管如此，也称为入射光场的背向相位共轭波。此时物波和相位共轭波为 背向共轭波是物波的时间反演波，即 背向共轭波与原波场在空间位置上处处共轭，即在某一位置（ ）反射回来的相位共轭波，在所有 位置上波振面都具有相反的空间分布。 二、相位共轭波的主要特性