光折变效应浅析.docxVIP

四波混频与位相共轭 (北京师范大学 物理系) [摘要]本实验介绍了位相共轭波、四波混频、光折变效应以及自泵浦位相共轭镜的物理含义，通过测四个位置的光功率，计算得到反射率为44.97%，通过实验观察猫镜自泵浦位相共轭器及畸变物体像的恢复现象，与普通反射镜对比，自泵浦位相共轭器具有补偿波前失真的特性。 一、引言 光折变效应是光致折射率改变效应的简称，是电光材料在光辐照下由光强的空间分布引起材料折射率相应变化的一种非线性光学现象。1966年，贝尔实验室的Ashkin等人在用LiNbO3和LiTaO3晶体进行激光倍频实验时意外地发现了一种特殊的光损伤现象，即在光辐照区光引起了晶体折射率的变化从而破坏了产生倍频的位相匹配条件，继而降低了倍频效率。这种光损伤与永久性光损伤不同，它在光辐照停止后仍能保持相当长的时间，并且可用均匀光辐照和加热的方法擦除，是一种可逆的光损伤。人们称这种现象为光折变效应。自光折变效应被发现以来，人们对它的研究如雨后春笋般地发展起来，很快成为非线性光学领域中的一个重要分支，被广泛地应用在光存储，光像放大器和振荡器，空间光调制器以及光学信息处理和光子计算技术、光通讯等领域。 位相共轭波是在振幅、位相（即波阵面）及偏振态三个方面与入射光波互为时间反演的光波，它能消除非均匀介质引起的波前畸变。产生位相共轭波的常用方法有全息术和非线性光学的四波混频等。利用晶体的光折变效应，也可以获得位相共轭光。1982年，Feinberg提出用一束入射光照射光折变晶体产生该入射光的位相共轭光，首次实现了自泵浦位相共轭镜，由它产生的位相共轭光使畸变的猫像等到复原，这种自泵浦共轭镜也被称为猫镜。 本实验要求了解位相共轭现象及其物理意义，了解光折变效应以及自泵浦位相共轭镜的原理。 二、实验原理 1．位相共轭波的概念 位相共轭波是在振幅、位相（即波阵面）及偏振态三个方面互为时间反演的光波。在数学上相当于一个作用算符，经它作用后的光波复振幅转变为它的复共轭，故因此而得名。一频率为ω的单色光沿轴传播，其光波电场表示为： 频率为ω的单色光沿z 轴传播，其光波电场表示为： （1.1）其共轭波为: （1.2） 式中： （1.3） 可以看出: (1.4) 即具有时间反演的关系。 位相共轭镜与普通反射镜相比较，对于位相共轭镜，除了传播方向相反外，入射波与反射波完全相同，就偏振态而言，两者互为时间反演，如果入射波为左旋圆偏振，则其位相共轭波也是左旋圆偏振，但普通反射镜确实右旋圆偏振的。 且位相共轭镜具有补偿波前失真的特性,但对于普通反射镜，光波两次通过非均匀介质（畸变介质）,产生的波前失真是积累的。 2、四波混频 产生位相共轭波的方法有多种，大体上可以分成两类，一是光参量互作用方法，一是受激作用方法。其中四波混频是属于前者的一种。利用四波混频产生位相共轭波具有较高的实用价值，特别是简并四波混频方法，由于不要求严格的匹配条件，因而被广泛使用。如图0所示：，为一对泵浦广，当信号光输入时，就会产生位相共轭光。 这种方法的原理,如图0 所示。有三束光波同时作用于非线性介质,令它们分别为A1、A2(泵浦波)与A4(信号波,或称探测波),其电场强度可表示为如下形式： 由非线性光学理论得知, 三波场作用下的介质产生三阶非线性极化,其中一项为以下形式：(2.1) 式中代表介质的三阶非线性极化系数。取，亦即满足所谓简并四波混频条件, 并令, 而沿Z轴方向, 则可得: (2.2) 不难从中看出, 它产生一个方向与探测波方向相反(即),而且对探测波相前反演(即)的波场---后向位相共扼波。 为了分析它的性质, 我们可以将上式代入麦克斯韦方程, 并根据能量守恒()与动量守恒()定律, 且假定泵浦波是非耗尽的, 即它的能量足够大, 则可导出四波耦合方程: (2.3) (2.4)其中为耦合系数。 因只有探测波输入， 故边界条件是. (2.5) 由此不难求出方程(2.3)和(2.4)的解, 即： （2.6） （2.7） 由上式可知， 是四波耦合作用的产物，它的大小与探测波的复共轭成正比。 对简并四波混频产生位相共轭波的原理还可以从实时全息的角度来理解,光波在介质中由于干涉作用形成强度的空间调制。从而导致介质折射率与吸收系数的空间发布，这使得介质中形成一种体光栅，它对于物波来说，起着全息记录的作用，因此当用光波照射再现时，就自然得到了物波的再现波。由全息理论可以证明在上述情况下，这个再现波大小与原始物波的复共轭，与上述分析结果是一致的。 3、光折变效应 光折变效应 (photoref