RP 系列激光分析设计软件 | 四波混频

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四波混频是一种由三阶光学非线性引起的非线性效应，如aχ(3)系数。如果至少两个不同的光频率分量在诸如光纤的非线性介质中一起传播，则可能发生这种情况。

图1:通过四波混频产生新的频率成分。

假设只有两个同向传播的输入频率成分ν1和ν2(与ν2>ν1)，就会发生差频折射率调制，从而产生两个额外的频率成分(图1)。实际上，产生了两个新的频率分量:ν3=ν1−(ν2−ν1)=2ν1−ν2和ν4=ν2+(ν2−ν1)=2ν2−ν1如图1所示。(或者，人们可以获得频率ν5=2ν1+ν2和ν6=ν1+2ν2，但是这并不常见，因为它很难相位匹配，例如在光纤中)此外，预先存在的波是频率ν3或者ν4可以被放大，也就是说，它经历了参量放大 [3].

简并和非简并四波混频

在上面的解释中，假设四个不同的频率分量通过四波混频相互作用。这叫做非简并四波混频。然而，也存在简并四波混频的可能性，其中四个频率中的两个重合。例如，可以有单个泵浦波为相邻的频率分量(信号)提供放大。对于添加到信号波的每个光子，两个光子从泵浦波中被带走，一个光子被放入闲频波，其频率在泵浦的另一侧。

光纤中的四波混频与自相位调制和交叉相位调制有关:所有这些效应都源于相同的(克尔)非线性，不同之处仅在于所涉及的波的简并性。调制不稳定性也可以解释为四波混频的效果。

相位匹配

由于四波混频是一个相位敏感过程(即，相互作用取决于所有光束的相对相位)，因此只有满足相位匹配条件(受色散影响，但也受非线性相移影响)，其效应才能在较长距离上有效累积，例如在光纤中。

如果所涉及的频率彼此非常接近，或者如果色散曲线具有合适的形状，则近似给出相位匹配。在其他情况下，当存在强烈的相位失配时，四波混频被有效地抑制。

在块状介质中，相位匹配也可以通过使用光束之间的适当角度来实现。

四波混频的相关性

四波混频适用于各种不同的情况。例如:

l 它可能涉及光纤放大器中的强光谱展宽，例如纳秒脉冲。对于某些应用，这种效应变得非常强，然后被称为超连续谱产生。这里涉及到各种非线性效应，而四波混频在泵浦脉冲较长的情况下尤为重要。

l 通过四波混频的参量放大可以用于基于光纤的光参量放大器(opa)和振荡器(opo)。这里，频率ν1和ν2往往不谋而合。与基于χ(2)非线性介质的opo和opa相比，这种基于光纤的器件具有介于信号和闲频信号之间的泵浦频率。

l 四波混频在光纤通信中可能具有重要的有害影响，特别是在波分复用(WDM)的情况下，它可能导致不同波长信道之间的串扰和/或信道功率的不平衡。抑制这种情况的一种方法是避免等距的通道间距。

l 另一方面，四波混频可以在WDM电信系统中用于波长信道转换。这里，输入信号与其他波长的连续波泵浦光一起被注入一段光纤(可能是高度非线性光纤)，这导致产生另一个光频率的输出信号——在泵浦频率上镜像的输入光频率。

l 四波混频适用于激光光谱学，最常见的形式是相干反斯托克斯拉曼光谱学(汽车)，其中两个输入波产生具有稍高光学频率的检测信号。利用输入光束之间的可变时间延迟，还可以测量激发态寿命和退相率。

l 四波混频也可以用于相位共轭，全息的 成像和光学图像处理。