三波混频产生前向共轭波的方法

从历史的角度来看，由Yariv于1976年提出的产生光学相位共轭的最早设想，是在二阶非线性介质中，通过特殊的三波混频产生相位共轭波［6］。之后，基于三波混频产生共轭波的其他不同技术方案，均在实验中获得实现［14～16］。

以图8-10所示两种实验方案为例，来说明利用三波混频产生前向共轭波的原理。其中图8-10（a）所示方案的特点，是利用频率为2ω的泵浦光与频率为ω的信号光作用产生共轭波；而图8-10（b）所示方案的特点，则是利用频率为ωp的泵浦光与频率为ωs≈ωp/2的信号光作用产生共轭波。

在如图8-10（a）所示实验安排下，一束频率为ω的强相干光E0（ω）入射到一个二阶非线性晶体并产生倍频光E2（2ω）和本身的透射光场，后者经过一个相位载体板后成为一束频率为ω的信号光场E1（ω）。在忽略场的矢量特点的前提下，这两种光场可分别表示为

进一步让上述两种波场以相位匹配方式入射到第二个倍频晶体中，可引起如下的二阶感应电极化波：

图8-10　三波混频产生前向相位共轭波

（a）利用基频光与倍频光作用产生共轭波；（b）利用二阶光学参量放大作用产生共轭波

式中，为晶体的有效二阶非线性电极化系数。如果假设较强的E2（2ω）波在第二个晶体内的衰减可近似忽略，则由式（8-27）表示的感应电极化波所辐射出的频率为ω的新相干光波为(www.xing528.com)

由此可见，新产生的E3（ω）波与入射的信号波E1（ω）互成相位共轭的关系。为将频率相同的这两种波互相分离，可采用第Ⅱ类相位匹配（假设介质为负单轴晶体），让E2（2ω）波与E1（ω）波同以非寻常光偏振入射，而E3（ω）波则以寻常光偏振出射，从而可方便分离。

图8-10（b）所示的则是另外一种不同的方案，此时利用一个二阶非线性晶体作为光学参量放大器，以强泵浦波场Ep（ωp）和一个弱信号波场Es（ωs）同时入射，并且使得信号波频率ωs≈ωp/2。在满足相位匹配的条件下，晶体可对信号光进行放大的同时，还将同时在ωi=ωp-ωs闲频处产生新相干辐射波场，与该波场对应的二阶非线性电极化场为

由上式可看出新产生的闲频波场可与入射信号波场成相位共轭关系，亦即有

此外，由图8-10（b）右图可看出，信号光与闲频共轭波的频率正好处于ωp/2频率两侧的对称位置。

以上两种基于在二阶非线性晶体中的三波混频过程而产生前向相位共轭波的方法，均可应用于现代高速率长距离光纤通信系统，可参见第8.6节。