后向激光发现与解释：非线性光学与光子学

20世纪90年代中期，以染料溶液为增益介质的双光子泵浦激光发射，是一个人们颇感兴趣的研究课题。基于一些新合成染料分子的优良双光子激发特性，在近红外波长脉冲激光泵浦作用下，可以很容易地实现粒子数反转和随后的频率上转换受激光发射（参见14.4.2节）。特别是在泵浦光为聚焦入射的情况下，这些新型染料溶液的单程受激发射的总增益是如此之高，以至于即使不配置光学共振腔，仍可获得高度定向的前向和后向受激光发射，它们的定向性等于甚至优于入射泵浦激光。此情况下激光介质的无腔受激发射行为，十分类似于无腔情况下散射介质的受激散射行为。因此人们自然会联想到：后向受激发射是否也可能具有相位共轭性质？随后的实验与理论研究，均对这一问题给予了肯定的回答。

He等人于1997年，首次报道了双光子泵浦后向激光发射相位共轭特性的初步实验结果［72］；次年又发表了他们更加详尽的实验与理论研究结果［73，74］。以后的持续研究表明，利用单光子泵浦或者三光子泵浦，亦可分别在所产生的后向激光发射中观察到相位共轭特性［75～77］。这些事实充分说明，后向受激光发射的相位共轭特性，实质上与实现粒子数反转的具体泵浦（吸收）机制无关。

一方面，已经知道后向受激散射相位共轭特性与产生受激散射的具体物理机制无关；另一方面，又发现到后向激光发射相位共轭特性与光学泵浦吸收光子数目（单、双、三、四等）无关。因此自然可以推论，上述两种情况下导致后向相干光发射相位共轭特性的物理根源，应该是完全相同的。导致这一推论的物理基础是，在采用泵浦光聚焦入射的前提下，对产生后向受激散射和产生后向激光发射的增益行为，以及它们在强泵浦光场作用下通过折射率感应变化形成全息光栅的行为，彼此完全相同。此情况下的唯一区别，是受激散射的发生不要求粒子数反转，而受激光发射则要求粒子数反转。但这一区别，对后向相干光发射相位共轭特性的形成，并不产生任何影响。

为简明起见，我们在这里省略证明后向激光发射具有相位共轭特性的理论推导详尽过程，而只借助于图8-24，采用部分简并四波混频和全息再现的物理模型，对有关物理过程的实质作一定性说明。

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图8-24　在聚焦泵浦情况下用于描述后向激光发射相位共轭特性形成的部分简并四波混频模型

设想平面泵浦光经过一像差板（或畸变介质）后，它的透射波场可看成由两部分所组成，一部分是未受影响的平面波成分E1（ω），另一部分是畸变波成分E2（ω）。这两部分波场经透镜聚焦后，可在彼此重叠的焦点区附近相互干涉并在激光介质内形成感应全息光栅。在所引入的像差板或畸变影响不十分大的前提下，由能量占主导地位的E1（ω）波将优先激励起后向激光发射波E3（ω'），这一对波均近似为理想球面波。初始E3（ω'）波在反向通过感应光栅区并不断获得指数增益的同时，也将产生新的衍射波E4（ω'），后者能再现泵浦畸变波E2（ω）的信息并在行进中同样获得指数激光增益。最后，总的后向激光输出波场将由E3（ω'）波和E4（ω'）波之和所组成。详尽的理论分析可以证明，在高增益和引入像差影响不十分大的两个前提下，的确有如下关系成立［74～76］：

这意味着总后向激光发射波场，的确可以有条件地成为总入射泵浦波场的相位共轭波。