09-第六章--相位共軛技術匯總課件

1、1第六章 相位共軛技術2非線性相位共軛光學（Phase Conjugation） 當激光束在大氣或光學器件中傳播時，由于大氣或光學元器件的不均勻性，將引起激光束波前的畸變。方法：光學自適應技術電光器件、聲光器件和可變形反射鏡的補償系統(tǒng) 相位共軛技術無需其他設備，即可實時地產(chǎn)生畸變光波的相位共軛波。3 相位共軛波是其相位共軛于入射光波的一種新光波，在數(shù)學上等價于對空間復振幅進行復共軛運算，因此，相位共軛波等價于振幅、相位及偏相位共軛波等價于振幅、相位及偏振態(tài)的時間反演波振態(tài)的時間反演波，即 Ec沿E的反方向傳播，且在空間具有相同的波陣面。 產(chǎn)生共軛波的“介質”稱為“相位共軛鏡”（PCM）。 ),

2、(),(trEtrEcPC概念46.4 簡并四波混頻與光學相位共軛1、光學相位共軛呈鏡像對稱。相位空間分布與原始波相同，其傳播方向與原始波的前向光學相位共軛波為則若相位共軛波（背向）。的光學為共軛，則稱場的復振幅部分互為復場與即且若什么是光學相位共軛？pcpcpcpccppcpczkticzkticczktipzktippEEkkrArAEEEEkkrArAerAerAtrEerAerAtrEccpp),()(),()() 14 . 6()(21)(21),()(21)(21),()()()()(5軛波稱作時間反演波。所以也常把背向相位共表達式作比較可發(fā)現(xiàn)：另外，可以將),(),(,trEtr

3、EEEpccp6 PCM 普通反射鏡 相位共軛鏡 7GlassGlassPhase ConjugateReflecatorNormal Reflecator12341234相位共軛波修正波前畸變的物理過程)2(11222),(krkztireeEtrE)2(*23222)(),(krkztireerEtrE)2(44222),(krkztireeEtrE)2(22222)(),(krkztireerEtrE8PC技術的應用1）相位共軛諧振腔PCR2）自適應光學3）圖像傳遞4)無透鏡成像5) 實時空間相關和卷積9光子回波反向受激散射近簡并四波混頻簡并四波混頻三波混頻光學混頻非線性光學方法光學全息

4、方法法、相位共軛波的產(chǎn)生方2100),()(),(),(,.)()(),(2),(.)(21),(.)(21),(),(),(31)2(1)(11)2(0)2(1)()(11111pcccppccpczktippccpczktippzktipkkkkkktzEzzEtzEtzPkkkccezEzEtzPccezEtzEccezEtzEztzEztzEccpp在相位匹配條件向相位共軛波，由于存波的一個前軸傳播，這正是，并且也是沿包含有中也輻射的極化光波由此可知由其中的極化極化過程可得頻率為在介質中經(jīng)二階非線性軸方向傳播：也沿方向傳播，信號場沿泵浦場、三波混頻方法11角。制了各入射光場的允許的限制

5、，限類似受到相位匹配條件三波混頻此時與軛波，但時，可產(chǎn)生前向相位共沿相同方向傳播，。當兩泵浦場的相位共軛波可見四波混頻可產(chǎn)生的極化為：線性極化，對應于頻率經(jīng)三階非，信號場，入射泵浦場、四波混頻方法限制的。到相位匹配條件的嚴格共軛波是受混頻方法產(chǎn)生前向相位這一要求，所以用三波而言，較難達到或發(fā)散角的對于具有較大波面畸變)(),(.)()()(),(6),(),(),(),(4),(21)()(2121)3(0)3(21212121TWMkktrEEccerErErEtrPtrEtrEtrEtzEcprkkkipccpcppppp12)1 ,()(),(0)(),(21212121波的質量影響到相

6、位共軛若非理想平面波，則會要注意：意形式的波前畸變的。射波信號可以是有任是最為理想的，因為入共軛鏡，這對于用作相位的入射角沒有任何要求顯然這時時相位匹配條件變?yōu)楫斳棽ǎ驗樽詣訚M足的背向相位共可以產(chǎn)生相位匹配條件。稱為簡并四波混頻，此時的四波混頻頻率也為時，當EEPCMtrEkkkkkkkkkDFWMDFWMtrEppccpcp13)()()()(3)(3)()(3)(),(),(),(),(0,) 1 (21)3(21)3(21)3(21212121zEidzzdEzEidzzdEEEnczEEEncidzzdEzEEEncidzzdEzEEtrEtrEtrEtrEkkkkkkkkpccpp

7、ccpcpcpcpcpcp，則有令軸傳播，則均沿和的耦合波方程組，設和的衰減，則可以只考慮，在小信號近似下，忽略自動滿足。，即相位匹配條件，由于軛特性簡并四波混頻的相位共14分別為：射及透射系數(shù)定義相位共軛的功率反一個看作反射波，由此作透射波，而另產(chǎn)生，所以可將一個看由于這兩者均由分別為、兩個輸出端面的可解得：代入邊界條件)0()54 . 6()0()tan()0()54 . 6()cos()0()()0()()44 . 6()0()cos()(sin)()44 . 6()0()cos()(cos)(0)()0()0(ppcppcppcppcppEbELiEaLELEELEbELLzizEaE

8、LLzzELzEEzE15波也得到了放大。的透射，即，所以、由于軛波。產(chǎn)生放大的背向相位共可以，這表示由時，、當增大。增大、隨著的背向相位共軛波。確實為，、討論：ppcpcpppcETLIVDFWMRLIIIRLIIEEEEILELETLEER11)(sec1434)0()0()sec()0()()tan()0()0(22216Fig 6.8 背向DFWM的放大作用所示：學參量震蕩器，如圖仍有輸出，成為一個光零時，即當輸入信號波等于，、當9 . 62RLV17Fig 6.9 滿足振蕩條件時，介質內(nèi)的光電場分布。組四個光波的耦合波方程適用，精確求解應包括這時小信號近似已經(jīng)不的耗盡，必須考慮泵浦場

9、注意：達到振蕩條件時2,2121cpEEEEEE18(2)、存在吸收時的DFWM的相位共軛特性。 當介質長度較長時(例如光纖中)，或介質對光的損耗(吸收、散射)不可忽略時，會對DFWM的結果產(chǎn)生影響。)74 . 6()(2)()()(2)()()()()()64 . 6()()()0()(2/2/212/ )(222/11zEzEeidzzdEzEzEeidzzdEEEzEzEzeLEzEeEzELcpLcpcLpcpLzz：作小信號近似、對的耦合波方程組為、軸傳播，則寫出電場都沿簡單起見，假設四個光，則與介質相互作用長度為代表線性吸收系數(shù)，光以考慮介質的線性吸收，192/1222/2/)(2

10、/ )(2/21)3()2()cos(2)sin()(sin)0(2)()(0(2)sin()()0()(sin2)0(2)(0)()0()0()84 . 6()()()()()74 . 6()()()()(3LllllzlplclllzlllppcppzpcLzcpLzcczppeLLeLzAizALLeLzLzAzALzAAzAezAidzzdAezAidzzdAezAzEezAzEEEnc其中解得：；代入邊界條件得代入，令上式中20時要大。生振蕩的閾值比無損耗可以看出，有損耗時發(fā)）變?yōu)闀r，（當、自振蕩條件：、振幅反射系數(shù)討論：2/2/1222/1222/1222/2/)2)()2()(1

11、04 . 6)104 . 6()2(2)2(tan02)tan(2)tan()tan(2)0()0()94 . 6()cos(2)sin()(sin)0(2)()cos(2)sin()cos()(sin)2)(0(2)(LLLlllllLpclllLlpclllllppeLLeLeLrIILLeiEErILLeLzEizELLLzLzEzE21cp；，；近簡并條件位共軛特性：、近簡并四波混頻的相1/)3(21Fig 6.10 近簡并四波混頻產(chǎn)生相位共軛波的幾何配置為相應的非線性極化強度出射波cE22)124 . 6()0()sin(2)cos()(sin)()0()sin(2)cos()(si

12、n2)(cos)()0()0(0)(/2),(3)114 . 6()()()()(2/2/221)3(21kzipcckzippppciiikzipcckzicpppceELkiLLzizEeELkiLLzkiLzzEEzELzEnkcpiEEcnezEidzzdEezEidzzdEkEkk得；由邊界條件其中相反，由此可得：必然與的傳播方向失配，共軛波，為了得到最小的相位由23。為歸一化波長失諧參量關系，其中為參量的畫出了以越小，衰減越強。越大，顯然，討論：反射率處的共軛反射波為在其中22222222/1222211. 6)(sec)2()(tan0()(sec2)tan()0(0)2/(nL

13、kLRLFigRkLkLLLLRELkiLiEzkpccpc24Fig 6.11 (a) 反射率R與歸一化失諧參量 的關系。25Fig 11 (b) 歸一化的反射率R與歸一化失諧參量 的關系，由于對R進行歸一，使反射譜帶寬變窄的過程更明顯地表示出來。26由Fig 6.11可以看出，當 值增加時，反射譜的帶寬急劇減小，邊峰結構也變?nèi)?，因此可以利用近簡并四波混頻來作為窄帶共軛反射鏡。L的全息過程：解為如下強度的產(chǎn)生過程可以理這三個不同波矢的極化：有三個波矢不同的分量一般，則的三階非線性極化強度為，考慮產(chǎn)生的頻率三個入射光波的物理過程：類比與全息的相位共軛與全息術對比、),(),(),()()()(

14、)4(21)3(21)3(21)3()3()3()3(21pcpcpccccpkkkPkkkPkkkPPPPDFWMDFWM27，但是、矢分別為得到三個衍射波，其波雖然根據(jù)衍射理論可以光柵。特殊情況下的三個穩(wěn)定中畫出了在的輸出光波。，產(chǎn)生波矢為衍射光波光波形成的光柵和的輸出光波；，產(chǎn)生波矢為波光波形成的光柵衍射光和波；的輸出光，產(chǎn)生波矢為光柵衍射光波光波形成的和穩(wěn)定光柵中，光波形成的三個不同的個入射射，得到輸出波。在三，第三個光波被光柵衍定光柵相互干涉，形成一個穩(wěn)三個入射光波中的兩個pcpcpcpcppcppcpkkkkkkkkkkkkkkFigkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkk212

15、1211221212112122112. 6)()()(28就可以了。出光波些輸出中只需要考慮輸因此，在這是不滿足相位匹配的，輸出光波而另外兩個總是滿足相位匹配的，出光波中，輸。例如，考慮到可能完全是相位匹配的中不，所以這三個輸出光波一般不等于由于pcppcckkkkkkkkcnk1212/29Fig 6.12 與簡并四波混頻過程相應的光柵圖30DFWM與全息的本質區(qū)別： I、DFWM是實時全息，記錄與再現(xiàn)同時發(fā)生。 II、DFWM的參考光與信號光可以是不同頻率(近 簡并情形)。 III、四個光波通過 相互聯(lián)系，而 是一個張 量，因而可以使不同的偏振的光之間產(chǎn)生耦合。 例如： 在各向同性介質中

16、，對于相位匹配的輸出 有 ，其相應的三階非線性極 化強度為：)3()3(cpkkkk，2131輸出光波。正交偏振，也可以產(chǎn)生與，即使且一項，只要求空間干涉圖形。對于這，無固定的的時間調制光柵振動頻率為形成的瞬時光柵和。它相應于有相應的全息穩(wěn)定光柵振。但是上式第三項沒要求記錄光同偏為了產(chǎn)生空間干涉圖，應于全息記錄過程中，疊，這相波的偏振必須有一定重、和、運算的要求，再現(xiàn)。由于標乘干涉形成空間光柵，由與第二項相應于再現(xiàn)；干涉形成空間光柵，由與相對應：第一項相應于兩個光柵圖行比較，其前兩項與前將它與前面的光柵圖進常數(shù)。和各光波入射角有關的為與、pppppppppppccEEEECEEEEEEEEEE

17、EECBAEEECEEEBEEEAkEkEkEkkP12121211221)3(2112211211)3()3(0)(0)2()()()()()()()()(),(32 鑒于上面的討論，可以將DFWM看作是一種實時的全息過程。在這種情況下，不僅要考慮全息光柵對再現(xiàn)參考光的衍射作用，還要考慮再現(xiàn)參考光、衍射光對全息光柵參量的影響。也就是說，不僅要求四個光波波矢滿足相位匹配條件(布喇格條件)，還要求其振幅滿足動態(tài)平衡條件，即四個光波通過介質相互作用滿足動態(tài)平衡。6.5 DFWM光學相位共軛的實驗研究及應用 DFWM是最重要的非線性光學的相位共軛技術，人們已經(jīng)利用各種不同波長，不同的工作方式在不同的

18、介質中開展了大量的DFWM特性的實驗研究。331、兩種典型實驗裝置Fig 6.13 產(chǎn)生DFWM相位共軛光的兩種典型實驗裝置34 Fig 6.13(a)中是靠環(huán)形光路提供兩反向對撞泵浦光束的環(huán)形(對稱)激勵裝置(CP)；(b)中則是靠一平面鏡(或球面境)反射提供兩反向對撞泵浦光束的后反射(非對稱)激勵裝置(RR)。2、相位共軛光的特性測量 (1)、由 目前，DFWM已成為測量各種物態(tài)材料三階非線性極化率最主要的實驗技術之一的值。的值可以確定可知，測量)3(21)3(23)(tanREEncLR35(2)、各種不同的導致 的物理機制產(chǎn)生相位共軛的時間相應有較大區(qū)別，所以通過測量DFWM的時間特性可以研究各種物理機制貢獻的重要性。 例如：在3的實驗中，人們利用時間分辨的DFWM測量了 膜的純電子云對 的貢獻。(3)、在DFWM中，若三束入射光都用同向線偏振，則可以測出 張量的對角元；如果改變各光的偏振方向，則可以測出 其它的非零張量元。 偏振分離技術：使信號光與泵浦光正交，這樣即使在共線配置下也可以將相位共軛光與泵浦光分離。Fig 6.14畫出了偏振分離技術的實驗裝置圖。)3(60c)3()3()3(36Fig 6.14 采用偏振分離技術的DFWM光學相位共軛實驗裝