四波混頻實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、研究生實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱 四波混頻特性實(shí)驗(yàn)研究 課程名稱 現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)方法（一） 姓 名 學(xué)號(hào) 專 業(yè) 凝聚態(tài)物理 年 級(jí) 院 、 所 物理學(xué)院 年 月 日 研究生實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)指 標(biāo)評(píng)價(jià)內(nèi)容評(píng)價(jià)等級(jí)（分值）ABCD得分設(shè) 計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是否合理、可行；實(shí)驗(yàn)方法是否得當(dāng)。20-1615-1110-65-0數(shù) 據(jù)數(shù)據(jù)記錄是否真實(shí)準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)處理是否科學(xué)。20-1615-1110-65-0結(jié) 論結(jié)論是否明確；結(jié)果與數(shù)據(jù)是否統(tǒng)一 。20-1615-1110-65-0規(guī) 范文字表達(dá)是否準(zhǔn)確、流暢；體例是否規(guī)范；是否符合學(xué)術(shù)道德規(guī)范。20-1615-1110-65-0能 力是否體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)研究能力；是否運(yùn)用

2、了本門課程所學(xué)的理論知識(shí)。20-1615-1110-65-0評(píng)閱教師簽名： 年 月 日總分：實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?. 了解偶氮染料聚合物的非線性光學(xué)特性；2. 理解掌握四波混頻的基本知識(shí)和實(shí)驗(yàn)方法，掌握泵浦、探測(cè)光和信號(hào)光三者的關(guān)系；3. 了解四波混頻的應(yīng)用范圍。實(shí)驗(yàn)裝置：半導(dǎo)體激光器一臺(tái)，反射鏡若干，CCD一個(gè)，微機(jī)一臺(tái)及其它光學(xué)元件。實(shí)驗(yàn)原理：一、光波在非線性介質(zhì)中的耦合方程光場(chǎng)是電磁波，它應(yīng)服從電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律 麥克斯韋方程：×E=-B/t ×E=D/t+·D=·B=0在介質(zhì)中存在物質(zhì)方程：D=0E+P B=0H+0M J=E 其中電位移矢量D為：D=E

3、=0E+P在電場(chǎng)的作用下如果考慮了介質(zhì)的非線性作用，則極化強(qiáng)度應(yīng)由線性項(xiàng)和非線性項(xiàng)組成，即：P= PL +PNL當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)較低時(shí)，可以忽略非線性項(xiàng)PNL而保留線性項(xiàng)PL ，這正是通常線性光學(xué)問題。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度較高時(shí)，可以將非線性極化強(qiáng)度寫成級(jí)數(shù)形式：P=0（1）E+0（2）E2+0（3）E3+=P（1）+P（2）+P（3）+式中（i）是i階電極化率或線性電極化率，是i階張量。二階及其以上各階極化率統(tǒng)稱非線性極化率。利用麥克斯韋方程以及物質(zhì)方程得到光波在介質(zhì)中傳播的波動(dòng)方程：×（×）+E（r,t）=00 p（r,t）由于波的相互作用，在極化強(qiáng)度中應(yīng)考慮非線性項(xiàng)?，F(xiàn)設(shè)電場(chǎng)強(qiáng)度E（r,

4、t）可展開成無限個(gè)平面波的組合，即E（r,t）=又有P= PL +PNL用表示介電常數(shù)則上述方程變?yōu)?#215;（×）-E（k, ）=20 PNL（km, m） 設(shè)PNL（km, m）是E1（k1, 1），E2（k2, 2），En（kn, n）共n個(gè)場(chǎng)作用于介質(zhì)產(chǎn)生的非線性極化強(qiáng)度，因此這n個(gè)場(chǎng)通過PNL（km, m）相互間的耦合。這就是光波間耦合方程。二、簡(jiǎn)并四波混頻的耦合波方程簡(jiǎn)并四波混頻即四個(gè)波都有相同的頻率對(duì)應(yīng)光電場(chǎng)與物質(zhì)相互作用的三階微擾，比二階效應(yīng)弱很多。三階效應(yīng)的產(chǎn)生與三階非線性極化率對(duì)于有關(guān)。對(duì)于非共振型非線性介質(zhì)來說（3）不可能很大。當(dāng)光頻接近于材料的電子共振頻率時(shí)

5、,由于極化率共振增強(qiáng),有可能大大提高相位共軛反射系數(shù)。隨著實(shí)驗(yàn)材料研究的進(jìn)展，特別是有機(jī)非線性材料的出現(xiàn)，人們可以在分子的水平上設(shè)計(jì)材料的結(jié)構(gòu)來得到在特定波長(zhǎng)激光照射下具有較大（3）的材料。采用共振型非線性材料介質(zhì)就可以在較低的泵浦強(qiáng)度下,獲得較強(qiáng)的相位共軛波，甚至可以連續(xù)工作。可調(diào)諧激光技術(shù)的飛速發(fā)展也使共振增強(qiáng)很容易在介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)，它通過改變輸出激光的功率來調(diào)節(jié)與材料直接的共振關(guān)系，使得三階效應(yīng)增強(qiáng)。設(shè)有頻率為的三個(gè)波E1（，Z）、E2（，Z）、E3（，Z），作用于非線性介質(zhì)。E1和E2為強(qiáng)度接近相等、傳播方向相反的兩個(gè)強(qiáng)泵浦波，E3為與E1和E2成一角度(小于8度)的探測(cè)波。這三個(gè)光波在非

6、線性介質(zhì)中相互作用結(jié)果，能產(chǎn)生一頻率仍為的波E4，稱信號(hào)波，它與探測(cè)波是相位共軛的?？梢宰C明，在上述四波作用下，信號(hào)波的大小與非線性介質(zhì)的（3）和泵浦波E1和E2的強(qiáng)度有關(guān)系。下面我們討論入射光波是平面波的情況時(shí)的耦合波方程。簡(jiǎn)并四波混頻（DFWM）的結(jié)構(gòu)示意圖如下。其中的非線性介質(zhì)是透明、無色散的介質(zhì)，三階非線性極化率是（3）。圖1簡(jiǎn)并四波混頻的結(jié)構(gòu)示意圖在介質(zhì)中相互作用的四個(gè)平面波為 Ei=E(r)expi(ti· r)+ E(r)expi(tl· r) l=1,2,3,4其中，E1, E2是彼此反向傳播的泵浦波，E3，E4是彼此反向傳播的探測(cè)波和相位共軛波。一般情況下

7、，探測(cè)光和泵浦光傳播方向有一個(gè)夾角，但它們的波矢滿足相位匹配條件：1+2=3+4=0如果四個(gè)光波為偏振方向相同的線偏振光，則根據(jù)非線性極化強(qiáng)度的一般關(guān)系，可以得到相應(yīng)于某一場(chǎng)分量（如相位共軛光E4）的感應(yīng)非線性極化強(qiáng)度為： P4（r,t）=0（3）32E1(r) 2+2E2(r)2+2E3(r)2+E4(r)2 E4(r)+6 E1(r) E2(r) E*3(r) expi (t· r)+C.C.在考慮到慢變化振幅近似的條件下，利用光波在介質(zhì)中的耦合方程（3-1）介質(zhì)中光場(chǎng)復(fù)振幅的變化規(guī)律滿足下式，即d El/drl=2()·P/NL(,r)exp(il· r)

8、i/2l得到：dEi/dri=20（3）3Ei(r) 2+2Ej(r)2+2Ek(r)2+2El(r)2 Ei(r)+6 Ek(r) El(r) E*j(r) i/2i （i，j，k，l=1，2，3，4）如果介質(zhì)中的四個(gè)光波滿足E1(r)2、E2(r)2E3(r)2、E4(r)2，則兩泵浦光電場(chǎng)在作用過程中沒有衰減，那么四波混頻的耦合方程組可以約化成兩個(gè)，取信號(hào)波的傳播方向?yàn)閆，這兩個(gè)耦合波方程寫成：d E3（z）/dz=i3（3）E1 E2 E4（z）/ncd E4（z）/dr4=i3（3）E1 E2 E3（z）/nc解得：E3（Z）=cosg(zL) E30/cosgL，（3-2） E4（

9、Z）= ig*sing(zL) E*30/ cosgL（3-3）其中g(shù)*=20（3）E1 E2/4 在兩個(gè)端面上的輸出光場(chǎng)為 E3（L） = E30/cosgLE4（0） ig*tggL E*30/g其中E4（0）表示在Z=0面射出的共軛光場(chǎng)，E3（L）表示在Z= L面射出的光場(chǎng)。由于它們都是由E3（0）產(chǎn)生，所以一個(gè)可看作反射光波，一個(gè)是相應(yīng)的透射光波。定義，R = E3（0）2/E4（0）2=tg2(gL) 為共軛反射率。L為介質(zhì)有效長(zhǎng)度。相位匹配是三階效應(yīng)中的一個(gè)重要的問題。從物理意義上講，它是使光波產(chǎn)生共軛光波的耦合作用達(dá)到最大。相位匹配是一個(gè)矢量守恒的問題，也是光子的動(dòng)量守恒。對(duì)于三

10、階效應(yīng)，參與作用的四個(gè)光子的頻率和波矢量分別為1，2，3和4以及1，2，3，4，則應(yīng)滿足關(guān)系4=1+2+3。即動(dòng)量守恒，產(chǎn)生光子的動(dòng)量來自參與作用的三個(gè)光子的動(dòng)量。眾所周知，當(dāng)相干光在非均勻介質(zhì)中傳播時(shí)，相前將發(fā)生畸變，從而使光的方向性變壞，相干度降低，以致使所傳播的空間信息變壞，能量發(fā)散等。隨著非線性光學(xué)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，采用相位共軛波是補(bǔ)償相前畸變的一種有效的方法。利用非線性四波混頻技術(shù)制作的補(bǔ)償相前畸變的器件，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、時(shí)間空間帶寬積大，處理實(shí)時(shí)等一系列優(yōu)點(diǎn)，被人們廣泛重視。四波混頻技術(shù)在實(shí)時(shí)自適應(yīng)光學(xué)、光信息處理、光計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)存貯、圖像處理、超低噪聲檢測(cè)、干涉測(cè)量技術(shù)、非線

11、性激光光譜以及光通信等方面展示出廣泛的應(yīng)用前景。另外，四波混頻變換形式很多，例如用它來把可調(diào)諧相干光源的頻率范圍擴(kuò)展到紅外和紫外，所以已得到許多很有意義的應(yīng)用。三、四波混頻的光柵解釋E2（2）E2（）E2（）E2（）E1（1）E1（）E1（）E1（）E1（）E3（1）E3（）E3（）E3（）E3（）E4（2） E3（1）E2（1）E1（2）E4（2） （a） (b)圖2.完全簡(jiǎn)并四波混頻產(chǎn)生相位共軛的全息光柵模型解釋。（虛線表示光柵條紋走向與間距）,（a）E1（1）與E3（1）形成光柵,（b）E2（1）與E3（1）形成光柵為了理解四波混頻過程，我們將上述情況與全息照相過程作比較。首先上述過程類

12、似與全息照相過程。實(shí)時(shí)全息照相過程如圖2所示其中表示的是E1（）波與E3（）波在非線性介質(zhì)內(nèi)形成全息光柵的一種可能過程，并由E2（）波讀取而產(chǎn)生E4（）再現(xiàn)波；在全息照相記錄過程中物波和參考波以一定角度投射到照相底片上，于是照相底片的透過率函數(shù)為t正比于(E1+ E3)( E1+ E3)*再現(xiàn)光束為E2E1*，即與E1波沿相反方向傳播。這時(shí)衍射光場(chǎng)為：E4=tE2=( E1+ E3)( E1+ E3)* E1*=( E12 +E32+ E1 E3*+ E3E1*) E1*=( E12+ E32) E1*+( E1*)2 E3+( E1)2 E3*式中第一項(xiàng)與入射場(chǎng)E2E1*成正比，我們不感興趣

13、。第二頂是 ( E1*)2 E3在厚全息照片中有相位因子exp-i(2k1一k3)·r，因此是相位失配項(xiàng)故沒有輻射。感興趣的項(xiàng)是第三項(xiàng)( E1)2 E3*于是得到了原始物波的相位共軛波。 上面的分析指出了四波混頻相位共軛與全息過程的相似性。除了這種相似性以外，還必須要明確它們之間有著根本的差別：第一、普通全息的記錄過程是通過參考光和信號(hào)光的干涉對(duì)記錄介質(zhì)嚗光并調(diào)制其透明度來實(shí)現(xiàn)的，所以，參考光和信號(hào)光必須同頻率，否則就不會(huì)形成穩(wěn)定的光柵，在嚗光過程中將全息圖洗掉。而四波混頻相位共軛過程并不要求四個(gè)波一定同頻率，泵浦光和探測(cè)光的頻率可以不同，它們相干涉可以形成運(yùn)動(dòng)光柵，此時(shí)信號(hào)光的頻率

14、將由于光柵的的運(yùn)動(dòng)而有一多普勒頻移。第二個(gè)差別是，四波混頻過程中的四個(gè)波之間發(fā)生耦合作用通過三階非線性極化率表現(xiàn)出來。在一般情況下，（3）是一個(gè)張量，它可以使不同偏振方向的光之間發(fā)生耦合。而全息照相要求各相干光具有相同的偏振方向。四、偶氮類聚合物的結(jié)構(gòu)性質(zhì)偶氮類化合物是一類具有光致異構(gòu)特征的有機(jī)光學(xué)材料，其分子結(jié)構(gòu)以氮氮雙鍵連接不同取代基為特征。以偶氮苯染料功能化的聚合物作為新型光電子材料在液晶顯示、光記錄和集成光器件等方面的良好應(yīng)用前景。偶氮染料是一類具有一定共軛程度的化合物，在結(jié)構(gòu)上以偶氮雙鍵聯(lián)接不同的取代基為基本特征，如圖3，它們的基本的結(jié)構(gòu)特征決定了它們的主要吸收峰的范圍（最大吸收峰在

15、可見區(qū)）。一般地說，共軛程度越大，分子的基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)之間的能級(jí)差越小，其吸收峰發(fā)生紅移。偶氮染料的第二結(jié)構(gòu)特征（苯環(huán)上的取代基）對(duì)吸收峰的位置具有一定影響。取代基的電子效應(yīng)影響分子中電子云密度分布，使分子的基態(tài)與激發(fā)態(tài)之間的能級(jí)差發(fā)生NXXXXTRANS FORMCIS FORMhn,DARKNESSNNN圖3. 可逆順反光致異構(gòu)機(jī)制圖變化，其吸收峰發(fā)生移動(dòng)。另外，在苯環(huán)上引入不同的取代基，其對(duì)應(yīng)化合物的最大吸收峰位置不同。由于它們的非線性主要源于偶氮苯衍生物具有順式和反式兩種異構(gòu)體，在共振光照射下發(fā)生相互轉(zhuǎn)換，共振光與材料相互作用能夠增加材料的非線性，但是共振吸收也帶來一些缺點(diǎn)，如損傷閾

16、值降低、熱效應(yīng)的副作用和窄帶等。實(shí)驗(yàn)步驟：一、光路設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置：連續(xù)氬離子激光器輸出的488.0nm波長(zhǎng)的光為光源；南浪博科教儀器研究所研制的線陣CCD作為光探測(cè)器；微型計(jì)算機(jī)與CCD相連，微機(jī)中有CCD光電探測(cè)器的應(yīng)用軟件和其它相關(guān)的數(shù)據(jù)處理軟件；樣品為甲基橙摻雜聚乙烯醇薄膜。本實(shí)驗(yàn)采用如圖4所示的完全簡(jiǎn)并偶氮染料四波混頻實(shí)驗(yàn)光路。氬離子激光器射出的488.0nm光，入射光束被分束鏡BS1分成I1和I3兩束，I1直接照射偶氮染料，并被反射鏡M1反射為I2再次照射偶氮染料，I1和I2作為兩束反向傳播的泵浦光，I3作為探測(cè)信號(hào)光與泵浦光成小角度（3度到8度）照射到偶氮染料上。根據(jù)四波混頻

17、的相位匹配條件：1+2=3+4=0 ，產(chǎn)生的相位共軛光I4沿著與探測(cè)信號(hào)光傳播方向的相反方向傳播。相位共軛光I4經(jīng)BS2反射進(jìn)入CCD光探測(cè)器進(jìn)行記錄。記錄的數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行處理。二、實(shí)驗(yàn)光路的調(diào)節(jié)一、用偶氮染料甲基橙（MO）摻雜聚乙烯醇（PVA）薄膜作為非線性介質(zhì)。甲基橙的吸收峰在450.0nm，在實(shí)驗(yàn)采用的488.nm波長(zhǎng)的激光的照射下仍有較強(qiáng)烈的吸收現(xiàn)象，發(fā)生近共振吸收，使光波與介質(zhì)間相互作用增強(qiáng)，信號(hào)光強(qiáng)度增強(qiáng)。在調(diào)節(jié)光路的中得到最強(qiáng)的信號(hào)光時(shí)光路基本調(diào)節(jié)完成。樣品分光鏡2I4I3I2分光鏡1反射鏡1氬離子激光器CCD光探測(cè) 計(jì)算機(jī)圖4.簡(jiǎn)并四波混頻實(shí)驗(yàn)裝置二、為了使照射到樣品上的泵浦光的強(qiáng)度基本相等，應(yīng)當(dāng)使第一反射鏡離樣品的距離盡可能的近。三階非線性光學(xué)效應(yīng)很弱，可以通過提高入射光束的強(qiáng)度的方法來提高信號(hào)光的強(qiáng)度。由于分光鏡將光束分成反射光和透射光兩部分，所以在選擇實(shí)驗(yàn)光路時(shí)要使用盡可能少的分光鏡來減少光能量損失。 三、相位匹配條件：1+2=3+4=0 要求兩