四波混頻實(shí)驗(yàn)報(bào)告

爭辯生試驗(yàn)報(bào)告試驗(yàn)工程名稱 四波混頻特性試驗(yàn)爭辯課程名稱 現(xiàn)代物理試驗(yàn)方法〔一〕姓 名 學(xué) 號(hào)專 業(yè) 分散態(tài)物理 年 級(jí)院、所 物理學(xué)院 年月日評價(jià)內(nèi)容評價(jià)內(nèi)容評價(jià)等級(jí)〔分值〕方法是否得當(dāng)。理是否科學(xué)。評閱教師簽名：總分：年 月 日ABCD得分試驗(yàn)設(shè)計(jì)是否合理、可行；試驗(yàn)設(shè)計(jì) 20-1615-1110-65-0數(shù)據(jù) 20-1615-1110-65-0結(jié)論 20-1615-1110-65-0統(tǒng)一。文字表達(dá)是否準(zhǔn)確、流暢；體例規(guī)范20-1615-1110-65-0范。能力運(yùn)用了本門課程所學(xué)的理論知20-1615-1110-65-0識(shí)。試驗(yàn)?zāi)康模毫私馀嫉玖暇酆衔锏姆蔷€性光學(xué)特性；理解把握四波混頻的根本學(xué)問和試驗(yàn)方法，把握泵浦、探測光和信號(hào)光三者的關(guān)系；了解四波混頻的應(yīng)用范圍。試驗(yàn)裝置：半導(dǎo)體激光器一臺(tái)，反射鏡假設(shè)干，CCD一個(gè)，微機(jī)一臺(tái)及其它光學(xué)元件。試驗(yàn)原理：一、光波在非線性介質(zhì)中的耦合方程▽×E=-B/t▽×E=D/t+J▽·D=ρ▽·B=0在介質(zhì)中存在物質(zhì)方程：εD= E+Pε0μ B= H+ μ 0 0J=σED為：D=εE=ε0E+P非線性項(xiàng)組成，即：PPL+PNLL當(dāng)場強(qiáng)較低時(shí)，可以無視非線性項(xiàng)PNL而保存線性項(xiàng)P ，這正是通常線性光學(xué)問題。當(dāng)電場強(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：LP=εχ〔1〕E+εχ〔2〕E2+εχ〔3〕E3+…=P〔1〕+P〔2〕+P〔3〕+…0 0 0χ〔i〕ii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：×〔▽×〕+

12

〕E〔r,t〕=μ

p〔r,t〕c22 00 t2可開放成無限個(gè)平面波的組合，即ll E〔r,t〕= ei(krll l又有P=P +PL NLl

11l

表示介電常數(shù)則上述方程變?yōu)椤痢波尅痢?〕E〔k,ω〕=ω2μP

〔k,ω〕c2設(shè)P

〔k,ω

0 NL m m，E〔k,ω，…Ek,

〕共n個(gè)場NL m

1 1

2 2

n n n作用于介質(zhì)產(chǎn)生的非線性極化強(qiáng)度，因此這nP

〔k,ω

〕相互間的耦合。這就是光波間耦合方程。二、簡并四波混頻的耦合波方程

NL m m三階微擾，比二階效應(yīng)弱很多。來說χ〔3〕不行能很大。當(dāng)光頻接近于材料的電子共振頻率時(shí),由于極化率共振增加,有可能大大提高相位共軛反射系數(shù)。隨著試驗(yàn)材料爭辯的進(jìn)展，特別是定波長激光照耀下具有較大χ〔3〕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。輸出激光的功率來調(diào)整與材料直接的共振關(guān)系，使得三階效應(yīng)增加。ωE

〔EωE，作用于非1 2 3線性介質(zhì)。EE為強(qiáng)度接近相等、傳播方向相反的兩個(gè)強(qiáng)泵浦波，E為與1 2 3EE成一角度(8度)1 2果，能產(chǎn)生一頻率仍為ωE，稱信號(hào)波，它與探測波是相位共軛的。4χ〔3〕和泵浦EE的強(qiáng)度有關(guān)系。1 2下面我們爭辯入射光波是平面波的狀況時(shí)的耦合波方程。簡并四波混頻〔DFWM〕的構(gòu)造示意圖如下。其中的非線性介質(zhì)是透亮、無色散的介質(zhì)，三階非線性極化率是〔3。1．簡并四波混頻的構(gòu)造示意圖在介質(zhì)中相互作用的四個(gè)平面波為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

是彼此反向傳播的泵浦波，E，E3 4

是彼此反向傳播的探測波和相位共軛波。配條件：

κ+κ=κ+κ=01 2 3 4〔E的感應(yīng)非線性極化強(qiáng)度4為：)(]

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

(r)E*3

(r)}exp[－i(ωt－κ·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)中光場復(fù)振幅的變化規(guī)律滿足下式，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，則兩泵浦光電場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：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(shù)*=－μω2εχ〔3〕E E/κ0 1 2 4在兩個(gè)端面上的輸出光場為E〔L〕=E /cos[︱g︱L]3 30E〔0〕－ig*tg[︱g︱L]E* /︱g︱4 30E〔0〕表示在Z=0面射出的共軛光場，E〔L〕表示在Z=L面射出4 3E〔0〕產(chǎn)生，所以一個(gè)可看作反射光波，一個(gè)是相3應(yīng)的透射光波。定義，R=︳E〔0〕︳2/︱E〔0〕︱2=tg2(︱g︱L)3 4為共軛反射率。L為介質(zhì)有效長度。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κωω和ωκκ=κ+κ+κ1 2， 3 4 1 2 3 4 4 1 2 3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、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、干預(yù)測量技術(shù)、非線性激光光譜以及光通信等方面呈現(xiàn)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，所以已得到很多很有意義的應(yīng)用。三、四波混頻的光柵解釋ωE〔〕ω1 1

E〔〕 E〔〕ωω1 2 2 1ωωωE〔〕ω3 1

ω2 2ω

E〔〕ω3 1ωω4E〔2〕 E〔ω〕ω44 2〔a〕 (b)2.完全簡并四波混頻產(chǎn)生相位共軛的全息光柵模型解釋?！蔡摼€表示光柵條紋走向與間距〕,〔a〕E〔ω〕E〔ω〕1 1 3 1形成光柵,〔b〕E〔ω〕E〔ω〕形成光柵2 1 3 12E1〔ω〕E〔ω〕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E3 2〔ω〕波讀取而產(chǎn)生E4〔ω〕再現(xiàn)波；在全息照相記錄過程中物波和參考波以肯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)*E2＝E1*E1波沿相反方向傳播。這時(shí)衍射光場為：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感興趣的項(xiàng)是第三項(xiàng)(E)2E*于是得到了原始物波的相位共軛波。1 3性以外，還必需要明確它們之間有著根本的差異：并調(diào)制其透亮度來實(shí)現(xiàn)的，所以，參考光和信號(hào)光必需同頻率，否則就不會(huì)形運(yùn)動(dòng)光柵，此時(shí)信號(hào)光的頻率將由于光柵的的運(yùn)動(dòng)而有一多普勒頻移?！?〕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一樣的偏振方向。四、偶氮類聚合物的構(gòu)造性質(zhì)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。3，它們的根本的構(gòu)造特征打算了它們的主要吸取峰的范圍〔最大吸取峰在可見區(qū)。一般地說，共軛程度越大，分子的基態(tài)征〔苯環(huán)上的取代基〕對吸取峰的位置具有肯定影響。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X’ X X’hN N N N△,DARKNESSXTRANSFORM

CISFORM圖3. 可逆順反光致異構(gòu)機(jī)制圖變化，其吸取峰發(fā)生移動(dòng)。另外，在苯環(huán)上引入不同的取代基，其對應(yīng)化合物的最大吸取峰位置不同。共振光照耀下發(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，但是共振吸取也帶來一些缺點(diǎn)，如損傷閾值降低、熱效應(yīng)的副作用和窄帶等。試驗(yàn)步驟：一、光路設(shè)計(jì)本試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置：連續(xù)氬離子激光器輸出的488.0nm波長的光為光源；南浪博科教儀器爭辯所研制的線陣CCDCCD相CCD光電探測器的應(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。4488.0nm光，入射光束被分束鏡BS1分成I1和I3兩束，I1直接照耀I(xiàn)2再次照耀偶氮染料，I1I2作為兩束反向傳播的泵浦光，I作為探測信號(hào)光與泵浦光成小角度〔38度〕照耀到偶3κ κ κ 氮染料上。依據(jù)四波混頻的相位匹配條件：+ = + =0κ κ κ 1 2 3 4光II經(jīng)BS反射進(jìn)4 4 2入CCD光探測器進(jìn)展記錄。記錄的數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)展處理。二、試驗(yàn)光路的調(diào)整一、用偶氮染料甲基橙〔MO〕摻雜聚乙烯醇〔PVA〕薄膜作為非線性介450.0nm488.nm波長的激光的照耀下仍有較猛烈的吸取現(xiàn)象，發(fā)生近共振吸取，使光波與介質(zhì)間相互作用增加，信號(hào)光強(qiáng)度增加。在調(diào)整光路的中得到最強(qiáng)的信號(hào)光時(shí)間路根本調(diào)整完成。樣品1I2I3

I4CCD測計(jì)算機(jī)

12

氬離子激光器4.簡并四波混頻試驗(yàn)裝置，所以在選擇試驗(yàn)光路時(shí)要使用完可能少的分光鏡來削減光能量損失。κ κ κ 三、相位匹配條件：+ = + =0κ κ κ 1 2 3 4射鏡或分光鏡，使各個(gè)光束能夠完全重合，得到的光束共線。四、為了調(diào)整泵浦光或探測光的強(qiáng)度而不轉(zhuǎn)變另外一束或兩束光的強(qiáng)度，用減光板調(diào)整需要轉(zhuǎn)變的光束，