9-光学相位共轭课件

光学相位共轭11/21/20221光学相位共轭11/21/20221一、光学相位共轭的定义沿z方向传播、频率为ω的光波电场一般可表示为复数加其复数共轭的形式：若该光波入射到一个系统，其输出光电场的振幅是原光电场复振幅的复共轭，则称输出光波是输入光波的相位共轭波。其光电场表示为：11/21/20222一、光学相位共轭的定义沿z方向传播、频率为ω的光波电场一当波矢前面取负，对应于原光波的前向相位共轭波，其传播方向与原光波方向相同，振幅为原光波振幅的复共轭，其波阵面的空间分布与原光波成镜像对称；当波矢前面取正，对应于原光波的后向相位共轭波，其传播方向与原光波方向相反，振幅为原光波振幅的复共轭。11/21/20223当波矢前面取负，对应于原光波对比原光波电场与后向相位共轭波电场可见所以，后向相位共轭波被称为原光波的时间反演波。后向相位共轭波的波阵面空间分布与原光波的波阵面的空间分布相同，只是传播方向与原光波相反。11/21/20224对比原光波电场与后向相位共轭波电场可见所以，后向相位共轭波被图4.2.1中还对普通反射镜和普通透镜与相位共轭反射镜和相位共轭透射镜的不同作用做了比较。后向相位共轭——相位共轭反射镜，如图4.2.1(a)所示，一个点光源发出的球面波被相位共轭反射镜反射，传播方向与原波相反，波面与原波波面相同；前向相位共轭——相位共轭透射镜，如同4.2.1(b)所示，一个点光源发出的球面波被相位共轭透射镜透射，传播方向与原波一致，波面与原波成镜像对称关系。11/21/20225图4.2.1中还对普通反射镜和普通透镜与相位共轭反射镜和相位11/21/2022611/21/20226利用后向相位共轭原理作成的相位共轭反射镜可以自动补偿光束经过不规则扰动介质后的波面畸变。图４.2.2对共轭镜与普通反射镜的作用进行了比较。当一平面波面通过畸变介质后分别被两镜反射，普通镜起着增加波面畸变的作用，而共轭镜对畸变的波面有补偿作用。11/21/20227利用后向相位共轭原理作成的相位共轭反射镜可以自动补偿光束经过二、四波混频中的光学相位共轭四波混频是产生相位共轭的重要方法。这里可以通过简并四波混频过程来实现后向相位共轭，在此过程中相位匹配条件将自动满足，用简并四波混频实现后向相位共轭的几何配置如图所示。非线性介质探测信号共轭信号泵浦泵浦11/21/20228二、四波混频中的光学相位共轭四波混频是产生相位共轭的重要方法输入探测光、输出信号光、以及泵浦光假定和反向传播，即和也反向传播，即因此，无论入射角如何，自动满足相位匹配条件。输出信号光必定是探测信号光的相位共轭光。的非线性极化强度为：和都是同频率的，即11/21/20229输入探测光、输出信号光满足能量和动量守恒关系式：下面进一步讨论简并四波混频过程中后向相位共轭波在介质中的传输特性。11/21/202210满足能量和动量守恒关系式：下面进一步讨论简并四波混频过程中后考虑光波沿z方向传播，自动满足。如果泵浦光电场和在作用过程中没有衰减，四个耦合波方程可化为两个：11/21/202211考虑光波沿z方向传播，自动满足。如解以上方程组，假设介质长为L，考虑如下边界条件：只有波从z=0面入射，即；没有波自z=L面出射，即令，以上耦合波方程组可化简为11/21/202212解以上方程组，假设介质长为L，考虑如下边界条件：令于是在介质的两个端面上输出的光电场分别为：利用边界条件，求得方程组的解为11/21/202213于是在介质的两个端面上输出的光电场分别为：利用边界条件，求得对于z=0面，上式表示的振幅为的复共轭，传播方向相反。为z=L面射出的探测光场，为的透射光；为z=0面射出的共轭波光场，为的反射光。11/21/202214对于z=0面，上式表示的振幅为的复共轭定义相位共轭的功率透射系数和反射系数，分别为11/21/202215定义相位共轭的功率透射系数和反射系数，分别为11/21/20由上面推导的输出光电场和透射反射系数可以得出以下结论：（1）过程中产生的信号光是原探测光的相位共轭波。反射率R随的增大而增大。由k的定义可知，介质的越大，泵浦光场和越大，k就越大。因此为了产生由高相位共轭反射率，要选取大的材料和强度高的泵浦光。11/21/202216由上面推导的输出光电场和透射反射系数可以得出以下结论：（1）（2）当时，因为，所以，这表示经过四波混频过程，相位共轭光被放大。同样探测光的透射率，因此透射波也被放大。图4.2.4画出了R和T都大于1时透射光和反射光功率随z的变化情况。11/21/202217（2）当时（3）当时，，介质内产生无腔镜自振荡，即当输入探测光等于零时，仍有一定的输出，成为一个光学参量振荡器，振荡时场的分布情况如图4.2.5所示。11/21/202218（3）当时，早期在液体中和钠蒸气中曾观测到简并四波混频产生的相位共轭波的放大和振荡现象，实验装置如图4.2.6所示。11/21/202219早期在液体中和钠蒸气中曾观测到简并四波混频产生的相位四波混频过程也可以产生前向相位共轭。在此过程中，四束光波的关系如图4.2.7所示。其中两泵浦光波沿相同方向传播，信号光在探测光的前向传播，但两者在介质两边互成镜像。11/21/202220四波混频过程也可以产生前向相位共轭。在此过程中，四束光波的关以上研究忽略了泵浦光引起的介质折射率变化以及介质的吸收作用，严格的研究应该考虑这些因素。实现相位共轭的方法有很多，除简并四波混频方法之外，还可利用近简并四波混频过程来实现相位共轭，这些方法都是基于非共振条件下的相位共轭过程。相位共轭的应用很多，除了可用来校正畸变之外，还可测量非线性极化率和压缩光脉冲宽度等。11/21/202221以上研究忽略了泵浦光引起的介质折射率变化以及介质的吸收作用，若测量激光波长为，简并四波混频的四个光波的振幅为和，非线性作用长度为L，介质的折射率为n，反射率公式和非线性耦合系数的定义式为：用这两个公式可以计算确定非线性介质的三阶极化率的值。11/21/202222若测量激光波长为，简并四波混频的四个光波的振幅为具体的测量方法很多，这里介绍一种测量精度较高的偏振分离技术，也就是使信号光与泵浦光的偏振方向正交，这样即使四束光共线传播也可以把共轭信号光从泵浦光中分离出来。图4.2.8给出了具体的测量装置。11/21/202223具体的测量方法很多，这里介绍一种测量精度较高的偏振分离技术，再经过反射进入介质，构成垂直偏振入射由脉冲激光器发出的平行偏振光通过反射镜波片、格兰棱镜及反射镜，形成彼此反向传播的、平行偏振的泵浦光。由反射的垂直偏振光通过和信号光。由简并四波混频结果产生的垂直偏振的背向共轭信号光经由及分束器BS检出。11/21/202224再经过反射进入介质，构成垂直偏振入射由脉冲激光光学相位共轭11/21/202225光学相位共轭11/21/20221一、光学相位共轭的定义沿z方向传播、频率为ω的光波电场一般可表示为复数加其复数共轭的形式：若该光波入射到一个系统，其输出光电场的振幅是原光电场复振幅的复共轭，则称输出光波是输入光波的相位共轭波。其光电场表示为：11/21/202226一、光学相位共轭的定义沿z方向传播、频率为ω的光波电场一当波矢前面取负，对应于原光波的前向相位共轭波，其传播方向与原光波方向相同，振幅为原光波振幅的复共轭，其波阵面的空间分布与原光波成镜像对称；当波矢前面取正，对应于原光波的后向相位共轭波，其传播方向与原光波方向相反，振幅为原光波振幅的复共轭。11/21/202227当波矢前面取负，对应于原光波对比原光波电场与后向相位共轭波电场可见所以，后向相位共轭波被称为原光波的时间反演波。后向相位共轭波的波阵面空间分布与原光波的波阵面的空间分布相同，只是传播方向与原光波相反。11/21/202228对比原光波电场与后向相位共轭波电场可见所以，后向相位共轭波被图4.2.1中还对普通反射镜和普通透镜与相位共轭反射镜和相位共轭透射镜的不同作用做了比较。后向相位共轭——相位共轭反射镜，如图4.2.1(a)所示，一个点光源发出的球面波被相位共轭反射镜反射，传播方向与原波相反，波面与原波波面相同；前向相位共轭——相位共轭透射镜，如同4.2.1(b)所示，一个点光源发出的球面波被相位共轭透射镜透射，传播方向与原波一致，波面与原波成镜像对称关系。11/21/202229图4.2.1中还对普通反射镜和普通透镜与相位共轭反射镜和相位11/21/20223011/21/20226利用后向相位共轭原理作成的相位共轭反射镜可以自动补偿光束经过不规则扰动介质后的波面畸变。图４.2.2对共轭镜与普通反射镜的作用进行了比较。当一平面波面通过畸变介质后分别被两镜反射，普通镜起着增加波面畸变的作用，而共轭镜对畸变的波面有补偿作用。11/21/202231利用后向相位共轭原理作成的相位共轭反射镜可以自动补偿光束经过二、四波混频中的光学相位共轭四波混频是产生相位共轭的重要方法。这里可以通过简并四波混频过程来实现后向相位共轭，在此过程中相位匹配条件将自动满足，用简并四波混频实现后向相位共轭的几何配置如图所示。非线性介质探测信号共轭信号泵浦泵浦11/21/202232二、四波混频中的光学相位共轭四波混频是产生相位共轭的重要方法输入探测光、输出信号光、以及泵浦光假定和反向传播，即和也反向传播，即因此，无论入射角如何，自动满足相位匹配条件。输出信号光必定是探测信号光的相位共轭光。的非线性极化强度为：和都是同频率的，即11/21/202233输入探测光、输出信号光满足能量和动量守恒关系式：下面进一步讨论简并四波混频过程中后向相位共轭波在介质中的传输特性。11/21/202234满足能量和动量守恒关系式：下面进一步讨论简并四波混频过程中后考虑光波沿z方向传播，自动满足。如果泵浦光电场和在作用过程中没有衰减，四个耦合波方程可化为两个：11/21/202235考虑光波沿z方向传播，自动满足。如解以上方程组，假设介质长为L，考虑如下边界条件：只有波从z=0面入射，即；没有波自z=L面出射，即令，以上耦合波方程组可化简为11/21/202236解以上方程组，假设介质长为L，考虑如下边界条件：令于是在介质的两个端面上输出的光电场分别为：利用边界条件，求得方程组的解为11/21/202237于是在介质的两个端面上输出的光电场分别为：利用边界条件，求得对于z=0面，上式表示的振幅为的复共轭，传播方向相反。为z=L面射出的探测光场，为的透射光；为z=0面射出的共轭波光场，为的反射光。11/21/202238对于z=0面，上式表示的振幅为的复共轭定义相位共轭的功率透射系数和反射系数，分别为11/21/202239定义相位共轭的功率透射系数和反射系数，分别为11/21/20由上面推导的输出光电场和透射反射系数可以得出以下结论：（1）过程中产生的信号光是原探测光的相位共轭波。反射率R随的增大而增大。由k的定义可知，介质的越大，泵浦光场和越大，k就越大。因此为了产生由高相位共轭反射率，要选取大的材料和强度高的泵浦光。11/21/202240由上面推导的输出光电场和透射反射系数可以得出以下结论：（1）（2）当时，因为，所以，这表示经过四波混频过程，相位共轭光被放大。同样探测光的透射率，因此透射波也被放大。图4.2.4画出了R和T都大于1时透射光和反射光功率随z的变化情况。11/21/202241（2）当时（3）当时，，介质内产生无腔镜自振荡，即当输入探测光等于零时，仍有一定的输出，成为一个光学参量振荡器，振荡时场的分布情况如图4.2.5所示。11/21/202242（3）当时，早期在液体中和钠蒸气中曾观测到简并四波混频产生的相位共轭波的放大和振荡现象，实验装置如图4.2.6所示。11/21/202243早期在液体中和钠蒸气中曾观测到简并四波混频产生的相位四波混频过程也可以产生前向相位共轭。在此过程中，四束光波的关系如图4.2.7所示。其中两泵浦光波沿相同方向传播，信号光在探测光的前向传播，但两者在介质两边互成镜像。11/21/202244四波混频过程也可以产生前向相位共轭。在此过程中，四束光波的关以上研究忽略了泵浦光引起的