光学相位共轭技术.pptx

第7章光学相位共轭技术7.1相位共轭波及其物理意义一频率为ωs的单色光波沿z轴方向传播,其光电场表示式为（7.1-1）在有些非线性光学过程如SBS、SRS中,在一定条件下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,我们仍将其看作为入射光的背向相位共轭光。在这种情况下,背向相位共轭光电场的表示式为则其相位共轭光电场的复振幅为7.1.2相位共轭波修正波前畸变的物理过程若（7.1-1）式所描述的光波为线偏振光,它在介电常数为ε(r)的非均匀介质中传播时满足标量形式的波动方程:对该式取复共轭,有图7.1-1相位共轭反射镜和相位共轭透镜图7.1-2相位共轭波修正波前畸变的物理过程图7.1-3所示为一高斯光束通过大气后入射到PCM上的情形。入射光电场为假如在我们所考虑的时间内,大气的光学性质可认为不变,则相位共轭波3再次通过大气后变为4,光电场分布变为图7.1-3修正大气不均匀性产生的波前畸变的物理过程7.2三波混频相位共轭技术图7.2-1三波混频结构示意图7.2.1平面光波的三波混频相位共轭设晶体中的三个光波均为沿z方向传播的平面波,光电场表示式为按照第四章的讨论方法,在考虑慢变化振幅近似条件下,这三个光电场满足下面三个方程:(7.2-3)7.2.2入射波前任意分布信号的相位共轭波的产生如果入射泵浦光是均匀分布的平面波,入射信号光由于受到非均匀扰动,波前发生了畸变,其波矢中含有横向分量k⊥,则将它们的光电场及相应的非线性极化强度表达式代入波动方程并利用慢变化振幅近似条件后,就可以得到各个光电场满足的波动方程。其中相位共轭光E2(r,t)的复振幅满足由傅里叶分析可知,E1,2(r)横向平面的空间傅里叶变换为其复共轭为7.3四波混频相位共轭技术图7.3-1四波混频结构示意图如果入射到非线性介质的泵浦光E1、E2为彼此反向传播的平面波,则在不考虑泵浦抽空效应的条件下,泵浦光电场可表示为假设入射到介质上的信号光是沿z方向传播并有任意波前分布的近轴光波(k3≈k3z),则信号光电场可表示为为了分析简单起见,设介质中相互作用的四个光波同向线偏振,忽略光克尔效应引起的非线性折射率变化,则由以上三个入射光波产生的非线性极化强度为并应用慢变化振幅近似条件,即可得到DFWM过程产生的背向散射光复振幅满足的方程2.非饱和损耗对相位共轭特性的影响为了讨论简单起见,假设四个光波共线传播,相互作用长度为L。如果介质的吸收系数为α,并且不计泵浦抽空效应,则泵浦光场的复振幅可表示为由此,可以把耦合波方程组(5.3-10)式修正为为了讨论方便,进行下列变量代换假设边界条件为式中7.3.2近DFWM光学相位共轭近DFWM相位共轭结构仍如图7.3-1所示,四个光波场为其中,二相反方向传播的泵浦光E1(r,t)和E2(r,t)是在某r方向传播、频率为ω的平面波;信号光E3(z,t)是沿z方向传播、频率为(ω+δ)的平面波(设|δ/ω|<<1);散射光E4(z,t)是沿-z方向传播、频率为ω4=ω+ω-(ω+δ)=ω-δ的平面波。为讨论方便,假设各光场同向线偏振,不考虑光克尔效应,则入射光感应产生的频率为(ω-δ)的非线性极化强度为式中其中可确定(7.3-32)式中的积分常数,求得图7.3-2以|g|L为参量，反射率R与归一化波长失谐量Ψ的关系曲线图7.3-3归一化反射率R与归一化波长失谐量Ψ的关系曲线7.3.3DFWM相位共轭的全息描述在第五章讨论四波混频时已经指出,可以把DFWM过程看作是一种动态实时的全息过程。因此,我们可以将DFWM相位共轭的物理过程描述为:在非共振型DFWM相位共轭中,入射信号光与二反向传播的泵浦光之一干涉形成光强的空间分布,由于非线性极化率为实数,这种光强的空间分布导致折射率的空间分布,从而在非线性介质中形成了“相位栅”,与此同时,满足布喇格条件(即非线性光学过程中的相位匹配条件)的另一泵浦光被这一光栅衍射,形成与入射信号光反向传播的相位共轭光波;在共振型DFWM相位共轭中,由于非线性极化率为复数,所以介质对光场除了色散作用外,还有吸收(或放大)作用。入射信号光与二反向传播的泵浦光之一干涉形成光强的空间分布,既在介质中形成折射率空间分布,又调制原子系统集居数差的空间分布,也就是在介质中既形成“相位栅”,又形成“强度栅”,满足布喇格条件(即相位匹配条件)的另一泵浦光被衍射,形成与入射信号光反向传播的相位共轭光波。由于共振介质中存在两种光栅,特别是因共振增强作用,使“强度栅”作用可能更显著,所以共振型相位共轭反射系数会更大。通过以上分析,就可以进一步用图7.3-4所示的动态全息过程形象地说明DFWM相位共轭波的产生过程。如图7.3-4(a)所示,当信号光E和泵浦光E1都是平面波时,它们干涉形成全息光栅,光栅波矢为K=k1