四波混频实验报告

争辩生试验报告试验工程名称 四波混频特性试验争辩课程名称 现代物理试验方法〔一〕姓 名 学 号专 业 分散态物理 年 级院、所 物理学院 年月日评价内容评价内容评价等级〔分值〕方法是否得当。理是否科学。评阅教师签名：总分：年 月 日ABCD得分试验设计是否合理、可行；试验设计 20-1615-1110-65-0数据 20-1615-1110-65-0结论 20-1615-1110-65-0统一。文字表达是否准确、流畅；体例规范20-1615-1110-65-0范。能力运用了本门课程所学的理论知20-1615-1110-65-0识。试验目的：了解偶氮染料聚合物的非线性光学特性；理解把握四波混频的根本学问和试验方法，把握泵浦、探测光和信号光三者的关系；了解四波混频的应用范围。试验装置：半导体激光器一台，反射镜假设干，CCD一个，微机一台及其它光学元件。试验原理：一、光波在非线性介质中的耦合方程▽×E=-B/t▽×E=D/t+J▽·D=ρ▽·B=0在介质中存在物质方程：εD= E+Pε0μ B= H+ μ 0 0J=σED为：D=εE=ε0E+P非线性项组成，即：PPL+PNLL当场强较低时，可以无视非线性项PNL而保存线性项P ，这正是通常线性光学问题。当电场强度较高时，可以将非线性极化强度写成级数形式：LP=εχ〔1〕E+εχ〔2〕E2+εχ〔3〕E3+…=P〔1〕+P〔2〕+P〔3〕+…0 0 0χ〔i〕ii阶张量。二阶及其以上各阶极化率统称非线性极化率。利用麦克斯韦方程以及物质方程得到光波在介质中传播的波动方程：×〔▽×〕+

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〕E〔r,t〕=μ

p〔r,t〕c22 00 t2可开放成无限个平面波的组合，即ll E〔r,t〕= ei(krll l又有P=P +PL NLl

11l

表示介电常数则上述方程变为×〔▽×〕2〕E〔k,ω〕=ω2μP

〔k,ω〕c2设P

〔k,ω

0 NL m m，E〔k,ω，…Ek,

〕共n个场NL m

1 1

2 2

n n n作用于介质产生的非线性极化强度，因此这nP

〔k,ω

〕相互间的耦合。这就是光波间耦合方程。二、简并四波混频的耦合波方程

NL m m三阶微扰，比二阶效应弱很多。来说χ〔3〕不行能很大。当光频接近于材料的电子共振频率时,由于极化率共振增加,有可能大大提高相位共轭反射系数。随着试验材料争辩的进展，特别是定波长激光照耀下具有较大χ〔3〕较低的泵浦强度下,获得较强的相位共轭波，甚至可以连续工作。输出激光的功率来调整与材料直接的共振关系，使得三阶效应增加。ωE

〔EωE，作用于非1 2 3线性介质。EE为强度接近相等、传播方向相反的两个强泵浦波，E为与1 2 3EE成一角度(8度)1 2果，能产生一频率仍为ωE，称信号波，它与探测波是相位共轭的。4χ〔3〕和泵浦EE的强度有关系。1 2下面我们争辩入射光波是平面波的状况时的耦合波方程。简并四波混频〔DFWM〕的构造示意图如下。其中的非线性介质是透亮、无色散的介质，三阶非线性极化率是〔3。1．简并四波混频的构造示意图在介质中相互作用的四个平面波为E=E(r)exp[－i(ωt－κ·r)]+E(r)exp[i(ωt－κ·r)] l=1,2,3,4i i l其中，EE1 2

是彼此反向传播的泵浦波，E，E3 4

是彼此反向传播的探测波和相位共轭波。配条件：

κ+κ=κ+κ=01 2 3 4〔E的感应非线性极化强度4为：)(]

(r)+64 0 1 2 3 4 4E(r)E1

(r)E*3

(r)}exp[－i(ωt－κ·r)]+C.C..在考虑到慢变化振幅近似的条件下，利用光波在介质中的耦合方程〔3-1〕介质中光场复振幅的变化规律满足下式，即dE/dr=μω2α(ω)·P/ (ω,r)exp(iκ·r)i/2κl l NL l l得到：dE/dr=μω2εχ〔3〕{3[︱E(r)︱2+2︱Er)︱2+2︱E(r)︱2+2︱E(r)︱2]E(r)+6i i 0 i j k l iE(r)E(r)E*(r)}i/2κ 〔i，j，k，l=1，2，3，4〕k l j iE(r)︱2、︱E(r)︱2》︱E(r)︱2、︱E(r)1 2 3 4︱2，则两泵浦光电场在作用过程中没有衰减，那么四波混频的耦合方程组可以约化成两个，取信号波的传播方向为Z，这两个耦合波方程写成：dE3〔z〕/dz=i3ωχ〔3〕E1E2E4〔z〕/ncdE〔z〕/dr=i3ωχ〔3〕E E E〔z〕/nc解得：

4 4 1 2 3E〕=cosg︱(－L)]E /cosgL〔3-2〕3 30E〔Z〕=ig*sin[︱g︱(z－L)]E* /cos[︱g︱L]〔3-3〕4 30其中g*=－μω2εχ〔3〕E E/κ0 1 2 4在两个端面上的输出光场为E〔L〕=E /cos[︱g︱L]3 30E〔0〕－ig*tg[︱g︱L]E* /︱g︱4 30E〔0〕表示在Z=0面射出的共轭光场，E〔L〕表示在Z=L面射出4 3E〔0〕产生，所以一个可看作反射光波，一个是相3应的透射光波。定义，R=︳E〔0〕︳2/︱E〔0〕︱2=tg2(︱g︱L)3 4为共轭反射率。L为介质有效长度。相位匹配是三阶效应中的一个重要的问题。从物理意义上讲，它是使光波κωω和ωκκ=κ+κ+κ1 2， 3 4 1 2 3 4 4 1 2 3产生光子的动量来自参与作用的三个光子的动量。众所周知，当相干光在非均匀介质中传播时，相前将发生畸变，从而使光的方向性变坏，相干度降低，以致使所传播的空间信息变坏，能量发散等。随、时间空间带宽积大，处理实时等一系列优点，被人们广泛重视。四波混频技术在实时自适应光学、光信息处理、光计算机技术、信号存贮、图像处理、超低噪声检测、干预测量技术、非线性激光光谱以及光通信等方面呈现出广泛的应用前景。另外，四波混频变换形式很多，例如用它来把可调谐相干光源的频率范围扩展到红外和紫外，所以已得到很多很有意义的应用。三、四波混频的光栅解释ωE〔〕ω1 1

E〔〕 E〔〕ωω1 2 2 1ωωωE〔〕ω3 1

ω2 2ω

E〔〕ω3 1ωω4E〔2〕 E〔ω〕ω44 2〔a〕 (b)2.完全简并四波混频产生相位共轭的全息光栅模型解释。〔虚线表示光栅条纹走向与间距〕,〔a〕E〔ω〕E〔ω〕1 1 3 1形成光栅,〔b〕E〔ω〕E〔ω〕形成光栅2 1 3 12E1〔ω〕E〔ω〕波在非线性介质内形成全息光栅的一种可能过程，并由E3 2〔ω〕波读取而产生E4〔ω〕再现波；在全息照相记录过程中物波和参考波以肯定角度投射到照相底片上，于是照相底片的透过率函数为t正比于(E1+E3)(E1+E3)*E2＝E1*E1波沿相反方向传播。这时衍射光场为：E=tE

+E)(E+E

*=(E

2+E

E*+EE

*)E*4

1

3

1*+(E

3*)2E

1

1 )2E*

1 3 3 1 11 3 1 1 3 1 3E＝E*(E*)2E在厚2 1 1 3全息照片中有相位因子exp〔-i(2k一k)·r1 3感兴趣的项是第三项(E)2E*于是得到了原始物波的相位共轭波。1 3性以外，还必需要明确它们之间有着根本的差异：并调制其透亮度来实现的，所以，参考光和信号光必需同频率，否则就不会形运动光栅，此时信号光的频率将由于光栅的的运动而有一多普勒频移。〔3〕是一个张量，它可以使不同偏振方向的光之间发生耦合。而全息照相要求各相干光具有一样的偏振方向。四、偶氮类聚合物的构造性质材料在液晶显示、光记录和集成光器件等方面的良好应用前景。3，它们的根本的构造特征打算了它们的主要吸取峰的范围〔最大吸取峰在可见区。一般地说，共轭程度越大，分子的基态征〔苯环上的取代基〕对吸取峰的位置具有肯定影响。取代基的电子效应影响分子中电子云密度分布，使分子的基态与激发态之间的能级差发生X’ X X’hN N N N△,DARKNESSXTRANSFORM

CISFORM图3. 可逆顺反光致异构机制图变化，其吸取峰发生移动。另外，在苯环上引入不同的取代基，其对应化合物的最大吸取峰位置不同。共振光照耀下发生相互转换，共振光与材料相互作用能够增加材料的非线性，但是共振吸取也带来一些缺点，如损伤阈值降低、热效应的副作用和窄带等。试验步骤：一、光路设计本试验的试验装置：连续氩离子激光器输出的488.0nm波长的光为光源；南浪博科教仪器争辩所研制的线阵CCDCCD相CCD光电探测器的应用软件和其它相关的数据处理软件；样品为甲基橙掺杂聚乙烯醇薄膜。4488.0nm光，入射光束被分束镜BS1分成I1和I3两束，I1直接照耀I2再次照耀偶氮染料，I1I2作为两束反向传播的泵浦光，I作为探测信号光与泵浦光成小角度〔38度〕照耀到偶3κ κ κ 氮染料上。依据四波混频的相位匹配条件：+ = + =0κ κ κ 1 2 3 4光II经BS反射进4 4 2入CCD光探测器进展记录。记录的数据在计算机上进展处理。二、试验光路的调整一、用偶氮染料甲基橙〔MO〕掺杂聚乙烯醇〔PVA〕薄膜作为非线性介450.0nm488.nm波长的激光的照耀下仍有较猛烈的吸取现象，发生近共振吸取，使光波与介质间相互作用增加，信号光强度增加。在调整光路的中得到最强的信号光时间路根本调整完成。样品1I2I3

I4CCD测计算机

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氩离子激光器4.简并四波混频试验装置，所以在选择试验光路时要使用完可能少的分光镜来削减光能量损失。κ κ κ 三、相位匹配条件：+ = + =0κ κ κ 1 2 3 4射镜或分光镜，使各个光束能够完全重合，得到的光束共线。四、为了调整泵浦光或探测光的强度而不转变另外一束或两束光的强度，用减光板调整需要转变的光束，