四波混频 Four-wave mixing

2022-11-23 14:03:58 浏览:225

定义

基于光波的相互作用χ(3)非线性。

四波混频是由三阶光学非线性引起的非线性效应,如χ(3)系数。 如果至少两个不同的光学频率分量在非线性介质(如光纤)中一起传播,就会发生这种情况。

四波混频 Four-wave mixing

图1:通过四波混频产生新的频率分量。

假设只有两个共同传播的输入频率分量ν1和ν2(与ν2 > ν1),在差频处发生折射率调制,从而产生两个额外的频率分量(图1)。 实际上,会生成两个新的频率分量:ν3 = ν1− (ν2 − ν1) = 2 ν1 − ν2和ν4 = ν2+ (ν2 − ν1) = 2 ν2 − ν1,如图 1 所示。 (或者,可以获取频率ν5 = 2 ν1 + ν2和ν6 = ν1 + 2 ν2,但这不太常见,因为它几乎无法进行相位匹配,例如在光纤中。 此外,预先存在的波 a 频率ν3或ν4可以扩增,即经历参数扩增[3]

简并和非简并四波混合

在上面的解释中,假设四个不同的频率分量通过四波混频相互作用。 这称为非简并四波混合。 然而,也存在退化四波混频的可能性,其中四个频率中的两个重合。 例如,可以有一个泵浦波为相邻的频率分量(信号)提供放大。 对于添加到信号波中的每个光子,从泵浦波中取出两个光子,并将一个光子放入泵浦另一侧具有频率的空闲波中。

光纤中的四波混合与自相位调制和交叉相位调制有关:所有这些效应都源于相同的(Kerr)非线性,仅在所涉及的波的简并性方面有所不同。 调制不稳定性也可以解释为四波混频的影响。

相位匹配

由于四波混合是一个相位敏感过程(即,相互作用取决于所有光束的相对相位),因此只有在满足相位匹配条件的情况下,其效果才能有效地累积更长的距离,例如在光纤中(这受色散和非线性相移的影响)。

如果所涉及的频率彼此非常接近,或者如果色散曲线具有合适的形状,则近似给出相位匹配。 在其他存在强相位失配的情况下,四波混频被有效抑制。

在散装介质中,也可以通过在光束之间使用适当的角度来实现相位匹配。

四波混合的相关性

四波混合在各种不同的情况下都是相关的。 一些例子是:

  • 它可以参与光纤放大器中的强频谱展宽,例如纳秒脉冲。 对于某些应用,这种效应非常强烈,然后称为超连续体生成。 这里涉及各种非线性效应,四波混频在泵浦脉冲较长的情况下尤为重要。
  • 四波混合的参数放大可用于基于光纤的光参量放大器(OPA)和振荡器(OPO)。 在这里,频率ν1和ν2经常重合。 与基于χ(2)非线性介质,这种基于光纤的设备具有介于信号和惰轮之间的泵浦频率。
  • 四波混合会在光纤通信中产生重要的有害影响,特别是在波分复用(WDM)的情况下,它可能导致不同波长信道之间的串扰和/或信道功率不平衡。 抑制这种情况的一种方法是避免等距通道间距。
  • 另一方面,四波混合可以在WDM电信系统中用于波长信道转换。 在这里,输入信号与其他波长的连续波泵浦光一起注入到一根光纤(可能是高度非线性的光纤)中,这导致在另一个光频率下产生输出信号 - 在泵浦频率上镜像的输入光频率。
  • 四波混合应用于激光光谱,最常见的形式是相干反斯托克斯拉曼光谱(CARS),其中两个输入波产生光学频率略高的检测信号。 由于输入光束之间的时间延迟可变,因此还可以测量激发态寿命和降耗速率。
  • 四波混合也可用于相位共轭、全息成像和光学图像处理。

参考文献

[1] R. L. Carman et al., “Observation of degenerate stimulated four-photon interaction and four-wave parametric amplification”, Phys. Rev. Lett. 17 (26), 1281 (1966), doi:10.1103/PhysRevLett.17.1281
[2] R. H. Stolen, “Phase-matched-stimulated four-photon mixing in silica-fiber waveguides”, IEEE J. Quantum Electron. 11 (3), 100 (1975), doi:10.1109/JQE.1975.1068571
[3] R. H. Stolen and J. E. Bjorkholm, “Parametric amplification and frequency conversion in optical fibers”, IEEE J. Quantum Electron. 18 (7), 1062 (1982), doi:10.1109/JQE.1982.1071660
[4] D. Nodop et al., “Efficient high-power generation of visible and mid-infrared light by degenerate four-wave-mixing in a large-mode-area photonic-crystal fiber”, Opt. Lett. 34 (22), 3499 (2009), doi:10.1364/OL.34.003499
[5] L. Drescher et al., “Extreme-ultraviolet spectral compression by four-wave mixing”, Nature Photonics 15, 263 (2021), doi:10.1038/s41566-020-00758-8

非线性光学

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