四波混频实验报告.docx
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四波混频实验报告
研究生实验报告
实验项目名称四波混频特性实验研究
课程名称现代物理实验方法
（一）
姓名学 号
专业凝聚态物理年级
院、所物理学院年月日
研究生实验报告评价标准
指标
评价内容
评价等级（分值）
A
B
C
D
得分
设计
实验设计是否合理、可行；实验方法是否得当。
20-16
15-11
10-6
5-0
数据
数据记录是否真实准确，数据处理是否科学。
20-16
15-11
10-6
5-0
结论
结论是否明确；结果与数据是否统一。
20-16
15-11
10-6
5-0
规范
文字表达是否准确、流畅；体例是否规范；是否符合学术道德规范。
20-16
15-11
10-6
5-0
能力
是否体现了实验研究能力；是否运用了本门课程所学的理论知识。
20-16
15-11
10-6
5-0
评阅教师签名：
年月日
总分：
实验目的：
1.了解偶氮染料聚合物的非线性光学特性；
2.理解掌握四波混频的基本知识和实验方法，掌握泵浦、探测光和信号光三者的关系；
3.了解四波混频的应用范围。
实验装置：
半导体激光器一台，反射镜若干，CCD一个，微机一台及其它光学元件。
实验原理：
一、光波在非线性介质中的耦合方程
光场是电磁波，它应服从电磁场运动的一般规律—麦克斯韦方程：
▽×E=-
B/
t
▽×E=
D/
t+
▽·D=ρ
▽·B=0
在介质中存在物质方程：
D=ε0E+P
B=μ0H+μ0M
J=σE
其中电位移矢量D为：
D=εE=ε0E+P
在电场的作用下如果考虑了介质的非线性作用，则极化强度应由线性项和非线性项组成，即：
P=PL+PNL
当场强较低时，可以忽略非线性项PNL而保留线性项PL，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：
P=ε0χ
（1）E+ε0χ
（2）E2+ε0χ（3）E3+…=P
（1）+P
（2）+P（3）+…
式中χ（i）是i阶电极化率或线性电极化率，是i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：
〔▽×（▽×）+
〕E（r,t）=μ00
p（r,t）
由于波的相互作用，在极化强度中应考虑非线性项。
现设电场强度E（r,t）可展开成无限个平面波的组合，即
E（r,t）=
又有P=PL+PNL
用
表示介电常数则上述方程变为
〔〔▽×（▽×）-
〕E（k,ω）=ω2μ0PNL（km,ωm）
设PNL（km,ωm）是E1（k1,ω1），E2（k2,ω2），…，En（kn,ωn）共n个场作用于介质产生的非线性极化强度，因此这n个场通过PNL（km,ωm）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
简并四波混频〔即四个波都有相同的频率〕对应光电场与物质相互作用的三阶微扰，比二阶效应弱很多。
三阶效应的产生与三阶非线性极化率对于有关。
对于非共振型非线性介质来说χ（3）不可能很大。
当光频接近于材料的电子共振频率时,由于极化率共振增强,有可能大大提高相位共轭反射系数。
随着实验材料研究的进展，特别是有机非线性材料的出现，人们可以在分子的水平上设计材料的结构来得到在特定波长激光照射下具有较大χ（3）的材料。
采用共振型非线性材料介质就可以在较低的泵浦强度下,获得较强的相位共轭波，甚至可以连续工作。
可调谐激光技术的飞速发展也使共振增强很容易在介质中实现，它通过改变输出激光的功率来调节与材料直接的共振关系，使得三阶效应增强。
设有频率为ω的三个波E1（ω，Z）、E2（ω，Z）、E3（ω，Z），作用于非线性介质。
E1和E2为强度接近相等、传播方向相反的两个强泵浦波，E3为与E1和E2成一角度（小于8度）的探测波。
这三个光波在非线性介质中相互作用结果，能产生一频率仍为ω的波E4，称信号波，它与探测波是相位共轭的。
可以证明，在上述四波作用下，信号波的大小与非线性介质的χ（3）和泵浦波E1和E2的强度有关系。
下面我们讨论入射光波是平面波的情况时的耦合波方程。
简并四波混频（DFWM）的结构示意图如下。
其中的非线性介质是透明、无色散的介质，三阶非线性极化率是χ（3）。
图1．简并四波混频的结构示意图
在介质中相互作用的四个平面波为
Ei=E（r）exp[－i（ωt－κi·r）]+E（r）exp[i（ωt－κl·r）]l=1,2,3,4
其中，E1,E2是彼此反向传播的泵浦波，E3，E4是彼此反向传播的探测波和相位共轭波。
一般情况下，探测光和泵浦光传播方向有一个夹角，但它们的波矢满足相位匹配条件：
κ1+κ2=κ3+κ4=0
如果四个光波为偏振方向相同的线偏振光，则根据非线性极化强度的一般关系，可以得到相应于某一场分量（如相位共轭光E4）的感应非线性极化强度为：
P4（r,t）=ε0χ（3）{3[2︱E1（r）︱2+2︱E2（r）︱2+2︱E3（r）︱2+︱E4（r）︱2]E4（r）+6E1（r）E2（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
dEl/drl=μω2α（ω）·P/NL（ω,r）exp（iκl·r）i/2κl
得到：
dEi/dri=μω2ε0χ（3）{3[︱Ei（r）︱2+2︱Ej（r）︱2+2︱Ek（r）︱2+2︱El（r）︱2]Ei（r）+6Ek（r）El（r）E*j（r）}i/2κi（i，j，k，l=1，2，3，4）
如果介质中的四个光波满足︱E1（r）︱2、︱E2（r）︱2》︱E3（r）︱2、︱E4（r）︱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）/nc
dE4（z）/dr4=i3ωχ（3）E1E2E3（z）/nc
解得：
E3（Z）=cos[︱g︱（z－L）]E30/cos[︱g︱L]，（3-2）
E4（Z）=ig*sin[︱g︱（z－L）]E*30/cos[︱g︱L]（3-3）
其中g*=－μω2ε0χ（3）E1E2/κ4
在两个端面上的输出光场为
E3（L）=E30/cos[︱g︱L]
E4（0）－ig*tg[︱g︱L]E*30/︱g︱
其中E4（0）表示在Z=0面射出的共轭光场，E3（L）表示在Z=L面射出的光场。
由于它们都是由E3（0）产生，所以一个可看作反射光波，一个是相应的透射光波。
定义，R=︳E3（0）︳2/︱E4（0）︱2=tg2（︱g︱L）
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，它是使光波产生共轭光波的耦合作用达到最大。
相位匹配是一个κ矢量守恒的问题，也是光子的动量守恒。
对于三阶效应，参与作用的四个光子的频率和波矢量分别为ω1，ω2，ω3和ω4以及κ1，κ2，κ3，κ4，则应满足关系κ4=κ1+κ2+κ3。
即动量守恒，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。
随着非线性光学的发展，人们发现，采用相位共轭波是补偿相前畸变的一种有效的方法。
利用非线性四波混频技术制作的补偿相前畸变的器件，它具有结构简单、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、干涉测量技术、非线性激光光谱以及光通信等方面展示出广泛的应用前景。
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，所以已得到许多很有意义的应用。
三、四波混频的光栅解释
（a） （b）
图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）E1（ω1）与E3（ω1）
形成光栅,（b）E2（ω1）与E3（ω1）形成光栅
为了理解四波混频过程，我们将上述情况与全息照相过程作比较。
首先上述过程类似与全息照相过程。
实时全息照相过程如图2所示其中表示的是E1（ω）波与E3（ω）波在非线性介质内形成全息光栅的一种可能过程，并由E2（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一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）*再现光束为E2＝E1*，即与E1波沿相反方向传播。
这时衍射光场为：
E4=tE2=（E1+E3）（E1+E3）*E1*=（E12+E32+E1E3*+E3E1*）E1*
=（E12+E32）E1*+（E1*）2E3+（E1）2E3*
式中第一项与入射场E2＝E1*成正比，我们不感兴趣。
第二顶是（E1*）2E3在厚全息照片中有相位因子exp〔-i（2k1一k3）·r〕，因此是相位失配项故没有辐射。
感兴趣的项是第三项（E1）2E3*于是得到了原始物波的相位共轭波。
上面的分析指出了四波混频相位共轭与全息过程的相似性。
除了这种相似性以外，还必须要明确它们之间有着根本的差别：
第一、普通全息的记录过程是通过参考光和信号光的干涉对记录介质嚗光并调制其透明度来实现的，所以，参考光和信号光必须同频率，否则就不会形成稳定的光栅，在嚗光过程中将全息图洗掉。
而四波混频相位共轭过程并不要求四个波一定同频率，泵浦光和探测光的频率可以不同，它们相干涉可以形成运动光栅，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。
第二个差别是，四波混频过程中的四个波之间发生耦合作用通过三阶非线性极化率表现出来。
在一般情况下，χ（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相同的偏振方向。
四、偶氮类聚合物的结构性质
偶氮类化合物是一类具有光致异构特征的有机光学材料，其分子结构以氮氮双键连接不同取代基为特征。
以偶氮苯染料功能化的聚合物作为新型光电子材料在液晶显示、光记录和集成光器件等方面的良好应用前景。
偶氮染料是一类具有一定共轭程度的化合物，在结构上以偶氮双键联接不同的取代基为基本特征，如图3，它们的基本的结构特征决定了它们的主要吸收峰的范围（最大吸收峰在可见区）。
一般地说，共轭程度越大，分子的基态与第一激发态之间的能级差越小，其吸收峰发生红移。
偶氮染料的第二结构特征（苯环上的取代基）对吸收峰的位置具有一定影响。
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
图3.可逆顺反光致异构机制图
变化，其吸收峰发生移动。
另外，在苯环上引入不同的取代基，其对应化合物的最大吸收峰位置不同。
由于它们的非线性主要源于偶氮苯衍生物具有顺式和反式两种异构体，在共振光照射下发生相互转换，共振光与材料相互作用能够增加材料的非线性，但是共振吸收也带来一些缺点，如损伤阈值降低、热效应的副作用和窄带等。
实验步骤：
一、光路设计
本实验的实验装置：
连续氩离子激光器输出的488.0nm波长的光为光源；南浪博科教仪器研究所研制的线阵CCD作为光探测器；微型计算机与CCD相连，微机中有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。
本实验采用如图4所示的完全简并偶氮染料四波混频实验光路。
氩离子激光器射出的488.0nm光，入射光束被分束镜BS1分成I1和I3两束，I1直接照射偶氮染料，并被反射镜M1反射为I2再次照射偶氮染料，I1和I2作为两束反向传播的泵浦光，I3作为探测信号光与泵浦光成小角度（3度到8度）照射到偶氮染料上。
根据四波混频的相位匹配条件：
κ1+κ2=κ3+κ4=0，产生的相位共轭光I4沿着与探测信号光传播方向的相反方向传播。
相位共轭光I4经BS2反射进入CCD光探测器进行记录。
记录的数据在计算机上进行处理。
二、实验光路的调节
一、用偶氮染料甲基橙（MO）掺杂聚乙烯醇（PVA）薄膜作为非线性介质。
甲基橙的吸收峰在450.0nm，在实验采用的488.nm波长的激光的照射下仍有较强烈的吸收现象，发生近共振吸收，使光波与介质间相互作用增强，信号光强度增强。
在调节光路的中得到最强的信号光时光路基本调节完成。
图4.简并四波混频实验装置
二、为了使照射到样品上的泵浦光的强度基本相等，应当使第一反射镜离样品的距离尽可能的近。
三阶非线性光学效应很弱，可以通过提高入射光束的强度的方法来提高信号光的强度。
由于分光镜将光束分成反射光和透射光两部分，所以在选择实验光路时要使用尽可能少的分光镜来减少光能量损失。
三、相位匹配条件：
κ1+κ2=κ3+κ4=0要求两束泵浦光的波矢反向。
探测光波与泵浦光波作用于样品上的同一点。
在调节光路时，探测光与两束泵浦光共线且共点是调节的关键。
首先要用等高仪进行测量，调节各反射镜或分光镜的倾角，使从激光器出射的光波在各处等高。
然后仔细调节等高的方法是转动反射镜或分光镜，使各个光束能够完全重合，得到的光束共线。
四、为了调节泵浦光或探测光的强度而不改变另外一束或两束光的强度，用减光板调节需要改变的光束，用光功率计记录光强度。
实验结果：
1.信号光强度随泵浦光强度的变化2.信号光强度随探测光强度的变化
3.信号光强度随探测角度（大）的变化4.信号光强度随探测角度（小）的变化
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