实验项目：四波混频原理及特性研究
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引言
在非线性介质中的四波混频是目前普遍采用的一种重要的实现光学相位共扼的方法。
早在20世纪60年代，全息术的开拓者们如Gabor、Denisyuk、Leith和Upatnieks等就产生
了光波混频的想法。自Kogelnik于1965年提出传统的静态全息技术可通过静态不均匀介质
成像之后，全息技术的发展就与最早的光学相位共扼有关了。1971年，stepanov等人分别
提出了实时全息的设想并做了验证.他们的想法是基于两束相干光在特定的非线性材料中形
成全息图，同时由第三束光(波长可与前两束光不同)读出记录的信息，这就是四波混频的雏
形。1994年，美国亚利桑那大学的Meerllolz等研究者通过外加电场，利用光折变效应在一
种新型聚合物内获得了近100%的衍射效率，这为聚合物材料光存储的实用化展示了美好前
景, 掺偶氮染料聚合物材料是一类比较典型的光存储材料，其光存储过程主要包括光致异
构、激发态吸收等效应，目前尚未有完整同一的理论描述.本文即针对一种偶氮染料掺杂的
高分子薄膜进行了四波混频特性研究，取得了一些有意义的结果.
关键词
:
相位共扼;四波混频;非线性光学
实验原理
:
偶氮染料是一类具有光致异构特性的有机非线性光学材料，其分子结构是在两个苯环之
间以一偶氮双键(一N~N一)相连接，参见图
在通常条件下，偶氮染料的顺式异构体不稳定，分子大多数处于反式异构体状态.在共
振光作用下，反式偶氮分子吸收一个光子后跃迁到单重激发态，经过系间跃迁无辐射弛豫到
三重激发态，偶氮双键之一绕另一键旋转，这样偶氮分子就由反式结构转变成顺式结构.顺
式偶氮分子不稳定，可以通过加热或暗过程由顺式缓慢地转变成反式结构.利用染料分子的
光致异构过程可以实现光存储.
四波混频(DFWM)的结构如图1.简并是指参与作用的4束光波频率相同.当有频率为ω
的3个波E1(ω,z),E2(ω,z),E3(ω,z)(E1,E2是彼此反向传播的泵浦波,E3是探测信号光波)作
用于非线性介质时,自动满足相位匹配条件,即κ1+κ2=κ3+κ4=0,将产生与E3反向传播的
相位共轭光波E4.
在介质中相互作用的4个平面波为El=El(r)exp[-i(ωt-κlr)] (l=1,2,3,4)
如果4个光波为偏振方向相同的线偏振光,泵浦光的强度远远大于探测信号光的强度,则可以
忽略泵浦抽空效应.在这种情况下,只需考虑E3(r)和E4(r)所满足的方程即可.假设E3(r),E4(r)
沿着z轴的方向传播,相应的耦合方程为
式中是三阶非线性极化率是三阶非线性极化率,由上述方程得
其中
在作用介质的2个端面上的输出光场为
由此得出:通过非线性作用发生的反射光场E4(0)正比于入射光场E*30.因此,反射光E4(z<0)
是信号光E3(z<0)的背向相位共轭光.
实验装置
本文采用的实验装置如图所示:以波长为514.snm的偏振氩离子激光作为四波混频的入
射光源，一束氩离子光被分束片S，、s2和全反镜M1，、M2和M3。分为三束入射光I1，、
12和I3入射到薄膜样品上，I1;和I2:为两束对向传播泵浦光，I3为探测光.根据四波混频过
程的相位匹配条件，相位共扼光应沿着与探测光传播的相反方向传播，相位共扼光经过半反
镜S3反射后被光电倍增管(PMT)接收，经锁相放大器(LOCK一IN)输入计算机
(COMPUTER)，被记录成数据文件.此外用一束氦氖激光与I1共线，关闭氩离子光I1，以氩
离子光I2和I3作为全息光栅的写入光束，氦氖光作为全息光栅的读出光束，研究材料全息
(永久)光存储的性能.
实验处理
：
1．软件的使用
首先使用CCD光电探测器的应用软件。该软件在使用中我们在打开该程序后，进行数
据的记录并以.ccd的格式进行保存.在记录了所有数据之后,需要对这些.ccd格式的数据进行
转换与作图。读出.ccd文件对应光强值，存为.txt格式，制成I4随变量变化表格。利用Origion
作图软件,将作为横轴的数据输入到A(X)数据列中,将上面得到的信号光强度的积分值输入
到B(Y)列中，画图时可描点，可连线，还可以进行曲线的拟和。
2．简并四波混频（DFWM）的实验光路
实验仪器有半导体激光器一台，反射镜若干，CCD一个，微机一台及其它光学元件组
成实验光路图。
3．简并四波混频特性测量实验
1搭建光路，观察相位共轭光。打开半导体激光器，波长为473.0nm，按照所搭建光路，
使两束泵浦光共线并与探测光相交于一点。将样品置于交点处。精确调光路使各个光束等高，
直到观察到相位共轭光。
2探测信号光功率不变,利用减光板改变泵浦光的强度,同时用CCD光探测器记录相位
共轭光强度，用计算机采集此信号，利用软件，绘制出相位共轭光强度随泵浦光强度的变化
曲线。
3在泵浦光强不变的情况下，改变I1和I3之间的夹角A度数（在0度到110度之间变
化，同时记录相位共轭光强度。绘制相位共轭光强度随探测信号光与泵浦光夹角的变化曲线。
4当激励泵浦光功率不变时，利用偏振片改变探测信号光的偏振方向，同时记录相位共
轭光强度。绘制相位共轭光强度随探测信号光偏振方向的变化曲线。
5保持探测光的强度不变，改变泵浦光的强度，同时用CCD光探测器记录相位共轭光
强度，用计算机采集此信号，记录相位共轭光I4的平方与探测光I3平方的比值与泵浦光强
度变化的关系。
实验数据作图及分析
：
（1）
这是相位共轭光生长曲线，由图可以看出，随着时间的增长，共轭光光强逐渐变大。
（2）
如图所示，当泵浦光的强度I2的强度增强时，相位共轭光的强度也随之增强，
（3）
当激励泵浦光功率不变的情况下，改变探测光与泵浦光夹角，在小于4度时，由于干
扰增强，信号逐渐被背景光淹没，大于3度时耦合作用逐渐减弱，信号增强。共轭光功率随
探测光与泵浦光家教增大而增强。到11度左右时出现峰值然后减弱。到24度之后峰值几乎
不会改变。
(4)
在泵浦光功率不变时，随着偏振角度B的增加，探测光的耦合作用增加，使相位共轭
光持续增强。
(5)
如图所示，随着泵浦光的增强，反射率先增大然后有一段减小的过程。
参考文献：
〔
1〕蒋述卓《素质教育与高校教学计划课程设置的深化改革》,中国大学教学, 2003 年第
5 期
〔2〕高占先《实行开放式实验教学培养创新型人才》,中国大学教学,2001 年 2 月。
〔3〕吕斯骅等《全面改革物理实验教学体与内容，培养有坚实基础的创新人才》.大学物理，
（2003）22 期。