简并四波混频产生后向共轭波：非线性光学与光子学成果

图8-11给出了用简并四波混频方法产生后向相位共轭波的两类基本实验装置简图。其共同特点是将出自同一台激光器的输出光束先后分为3束，其中两束较强的作为泵浦光对撞通过非线性介质样品，第三束较弱的含有一定空间和相位信息的信号光束以一定角度交叉入射到样品中，而相位共轭波则按相反方向由样品介质反射出来并单独进行检测。为保证有尽可能长的有效作用距离，要求信号光束与同向入射泵浦光束间的夹角尽可能小，一般为10～100 mrad（毫弧度）量级范围。图8-11（a）与（b）的区别，仅为在前者情况下用一平面镜（或球面镜）反射而提供两反向对撞泵浦光束，而在后者情况下则是靠环形光路提供两反向泵浦光束。

图8-11　利用简并四波混频产生后向相位共轭波的两种典型实验装置

（a）用一垂直反射镜提供A2光束；（b）通过一环形光路提供A2光束

如果在实验研究中，想考察两泵浦光束具有不同偏振状态或不同光强变化的影响时，采用图8-11（b）所示装置显然是方便的，因为可以比较方便地在两束泵浦光路中分别置入偏振元件或其他光学元件。另外，在某些实验中，为提高参与四波混频作用的光束的光强，可同时或分别使泵浦光束和信号光束经过倒置望远镜缩孔或经透镜聚焦后入射到非线性介质样品中。此外，为防止反向泵浦光返回激光器造成干扰，可在激光器输出端放置光学隔离器；在短脉冲运转时，亦可用拉长光路的方法，使返回激光器所需时间大于激光脉冲持续时间。

对所产生的后向相位共轭波的特性测量，主要包括如下几个方面。

（1）非线性反射率的测量：可由相位共轭波与入射信号波之间的功率比值或能量比值来确定，该比值反映整个实验系统的效率高低，也可反过来确定样品介质有效三阶非线性系数的量值大小。

（2）波面畸变或像差的补偿能力测定：为考察所产生的相位共轭波补偿波面畸变或像差影响的实际效果，通常使信号光经过一块光程无规起伏的介质（像差板）后入射到样品中，然后检查经过像差板出射后后向相位共轭波的波面复原程度。实验中所用的像差板，通常是由一块经过稀释氢氟酸溶液轻度腐蚀过的平板玻璃片所构成。

（3）相位共轭波偏振特性测量：相位共轭波的偏振特性，在一般情况下是与两泵浦光和信号光各自的偏振特性有关的，因此从实验上测定四波相互作用之间的偏振依赖性，可加深对所发生的物理过程实质的了解。

（4）相位共轭波时间特性测量：在入射激光为脉冲作用的情况下，通过对相位共轭波脉冲时间特性的测量，可了解介质内产生四光子参量作用或感应全息光栅作用的动态响应过程。

在实验装置和条件给定的前提下，选择具有尽可能大的三阶非线性电极化特性的样品介质是至关重要的，因为无论是从四光子参量作用还是感应全息光栅的机制来看，介质的有效三阶非线性系数的量值大小都起着关键的作用。只不过对四光子参量过程而言，只有电子云畸变对的贡献起作用；而对感应全息光栅形成而言，可以有多种机理的贡献起作用。在较多的简并四波混频实验中，采用了单光子增强方法获得较大的值，但是此情况下的线性吸收往往导致热光栅的形成是主要的，而这一般又是人们希望避免的。若采用双光子或多光子共振，则可显著减小热效应的不利影响。在部分简并四波混频实验中，还可采用双光子和频共振增强以及双光子差频（拉曼）共振的方法增强值（参见第5章）。

图8-12是早期演示用简并四波混频产生后向共轭波并消除像差影响的实验照片［17］。该实验采用了如图8-11（a）所示的光路装置，非线性介质为CS2液体，三束入射光是波长为532 nm的纳秒脉冲激光；其中一束光经过一个条纹板而成为载有图像的信号光，然后再通过一个像差板进入样品。图8-12（a）是不放置像差板时拍摄到的后向相位共轭波场图，显示出清晰的条纹图像；图8-12（b）是在放置像差板后的共轭波场图，条纹依然清晰（分辨率每毫米可达30条线），表明像差板影响基本不起作用；图8-12（c）是不放置像差板而光路中提供反向泵浦光束的反射镜失调0.25 mrad时的共轭波场图；最后图8-12（d）是放置像差板而反射镜失调时的共轭波场图，此情况下入射信号波与后向共轭波彼此通过像差板的不同区域，因此像差板的影响基本不能消除。这一实验在证明共轭波克服像差影响的固有能力的同时，也表明了这一类实验对光路调整精度比较苛刻的要求，后者从实际应用的角度来看显然是不利的。(www.xing528.com)

图8-12　简并四波混频产生后向相位共轭波场图［17］

（a）不放置像差板；（b）放置像差板；显示像差影响基本消除；（c）不放置像差板而几何反射镜失调0.25 mrad；（d）放置像差板而几何反射镜失调0.25 mrad，显示未被补偿的像差影响

图8-13是通过远场图样测量演示共轭波克服畸变影响能力的实验照片［18］。该实验利用气压为几托的SF6气体样品作为非线性介质，以波长为10.6 μm、脉宽为200 ns的脉冲激光在单光子共振条件下实现简并四波混频，获得的共轭波非线性反射率为R≈7%。实验中被测量的信号光束和后向共轭光束，分别通过长聚焦透镜在焦平面上测量光斑大小。

图8-13　在有无像差板两种情况下信号光和后向共轭光之远场照片［18］

很多种类的掺杂无机晶体、半导体、染料溶液或掺杂聚合物薄膜、液晶、光折变材料以及金属蒸气等介质样品都曾用来进行过简并四波混频产生后向共轭波的实验研究［1］。其中，早期报道过以半导体硅做近共振样品的实验，测得的非线性反射率为R≈105%［19］；以BDN饱和吸收染料溶液作介质样品的实验，获得R≈600%的非线性反射率［20］。

在另外一个利用金属钠蒸气作介质，以波长为589.6 nm的纳秒脉冲激光进行近共振泵浦的早期实验，更是获得了高达R≈102的非线性反射率；所产生共轭波的空间条纹图像再现分辨率为每毫米4条线［21］。图8-14显示了通过该实验测得的共轭波增益和信号波增益随泵浦光强增加的变化数据以及由四波混频理论给出的拟合曲线。由该图可看出，在高泵浦光强情况下，两光束均出现增益饱和，这暗示此时有其他效应同时产生，限制了信号和共轭光束增益的进一步提高。

图8-14　简并四波混频产生后向共轭波增益（实心点）和信号光增益（空心点）随泵浦光强的变化（虚线和实线分别为对两种光的理论计算曲线；左上角显示泵浦脉冲和共轭波脉冲的时间波形）［21］

早期在非共振介质中完成的其他实验报道有：在CS2介质中实现R≈10%非线性反射率［22］；以1 MW/cm2的低光强泵浦水平下在块状Ge晶体中得到R≈2%［23］；在半导体合金材料Hg1xCdxTe中得到R≈9%［24］；在MBBA液晶样品中获得R≈230%［25］。另一方面，早期在共振介质中进行过的其他简并四波混频实验还有，以波长为794 nm的低脉冲功率泵浦的Rb蒸气系统［26］；以连续氩离子激光泵浦的红宝石晶体获得R≈3%［27］；以位于激光腔内的Nd：YAG棒本身为非线性共振介质［28］；以出自DF气体激光器的3.8μm脉冲光泵浦的Ge晶体得到R≈0.03%的非线性反射率［29］。