光子回波现象在非线性光学与光子学中的作用

光子回波（Photon Echo）效应，是核磁共振技术中自旋回波（Spin Echo）效应在光频范围内的一种推广和模拟［27～29］。这种效应的具体表现是，在满足相干作用的条件下，以两个强短光脉冲相继入射到共振吸收介质中，其中第一个脉冲振幅按时间积分的面积满足θ0=π/2（π/2脉冲）的条件，第二个脉冲满足θ0=π（π脉冲）的条件，两个脉冲的间隔满足τs＜T2＜T1的条件，则在第二个脉冲通过晶体后的一定时刻（约近似等于τs），介质将在空间确定方向上发射出第三个相干定向光脉冲，这就是光子回波。回波的强度、出现的精确时刻、光谱结构等行为，与共振介质的能级结构、跃迁参数、弛豫时间和光谱共振特性等因素有关。图10-5为入射到共振介质中的2个激励光脉冲和随后产生的光子回波脉冲相对于时间的变化关系。

图10-5　2个入射脉冲和光子回波脉冲随时间的变化关系

由式（10-9）中第一式可以看出，二能级共振吸收介质低能级与高能级上粒子数密度差满足(www.xing528.com)

式中，N0为总粒子数密度，θ为由式（10-11）所定义的脉冲面积。当第一个脉冲入射时有θ1=π/2和N=0，意味着有半数粒子被激发至高能级；对于第二个脉冲入射来说，有θ1=π和N'=-N，由于N已经为零，故粒子数分布不产生变化，而该脉冲的作用实际上是使得高低能级上粒子群的相位弛豫过程发生逆转。因此，光子回波的产生，并不是第二个入射脉冲与介质能量交换作用的结果，本质上是共振介质对入射强短脉冲保持有“相位”记忆的能力。在第一个兀/2脉冲作用下，粒子集合被激励到由低、高能级组成的相干迭加态（亦即处于低、高能级上的概率相等），并产生了宏观感应电极化。当第一个光脉冲通过后，感应电极化效应不随之消失，只不过由于有限失相位弛豫时间（主要是）的影响，使得不同群粒子的感应电偶极矩间的同相位关系以一定方式逐渐失去，因此宏观电极化强度也随之减弱。第二个兀脉冲入射结果，是使不同群粒子感应电偶极矩间的失同相位过程发生逆转，从而在经过大约τs时间后，使得介质的宏观感应电极化重新因为恢复同位相而达到极大，并相应辐射出第三个相干光脉冲——光子回波脉冲。综上所述，第一个π/2脉冲的作用是在介质内产生感应电极化，而第二个π脉冲的作用是用来补偿由于弛豫作用而导致的感应电极化的失同相位效应，或者说使得已产生的失同相位过程发生逆转，而当这种补偿或逆转过程刚好完成时，感应电极化值又恢复到极大并辐射出光子回波脉冲。

由于光子回波在本质上是对核磁共振领域内自旋回波的一种光学模拟，所以在理论描述上基本也采用了自旋回波的数学处理方法。尽管这种处理方法的物理图像不够直观，但它所推导出的结论却与实验结果符合得较好。