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。
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
