Четырехволновое смешение - Four-wave mixing

Четырехволновое смешение ( FWM ) - это явление интермодуляции в нелинейной оптике , при котором взаимодействия между двумя или тремя длинами волн создают две или одну новую длину волны. Это похоже на точку пересечения третьего порядка в электрических системах. Четырехволновое смешение можно сравнить с интермодуляционными искажениями в стандартных электрических системах. Это является параметрическим нелинейным процессом, в том , что энергия входящих фотонов будет сохраняться . FWM - это фазочувствительный процесс, так как на эффективность процесса сильно влияют условия фазового согласования .

Механизм

Диаграмма уровней энергии для невырожденного четырехволнового процесса смешения. Верхний энергетический уровень может быть реальным атомным или молекулярным уровнем (резонансное четырехволновое смешение) или виртуальным уровнем, далеко расстроенным вне резонанса. Эта диаграмма описывает взаимодействие четырехволнового смешения между частотами f ₁ , f ₂ , f ₃ и f ₄ .

Когда три частоты (f ₁ , f ₂ и f ₃ ) взаимодействуют в нелинейной среде, они порождают четвертую частоту (f ₄ ), которая формируется рассеянием падающих фотонов, производя четвертый фотон.

Учитывая входы F ₁ , F ₂ , и F ₃ , нелинейная система будет производить

${\ displaystyle \ pm f_ {1} \ pm f_ {2} \ pm f_ {3}}$

Из расчетов с тремя входными сигналами было обнаружено, что создаются 12 частот помех, три из которых лежат на одной из исходных входных частот. Обратите внимание, что эти три частоты, которые лежат на исходных входных частотах, обычно приписываются фазовой самомодуляции и перекрестной фазовой модуляции и, в отличие от FWM, естественным образом согласованы по фазе.

Генерация суммы и разности частот

Две распространенные формы четырехволнового смешения - это генерация суммарной частоты и генерация разностной частоты. При генерации суммарной частоты вводятся три поля, а на выходе получается новое высокочастотное поле в сумме трех входных частот. При генерации разностной частоты типичный выходной сигнал представляет собой сумму двух минус третий.

Условием эффективной генерации FWM является синхронизация фаз: связанные k-векторы четырех компонентов должны складываться с нулем, когда они являются плоскими волнами. Это становится важным, поскольку генерация суммарных и разностных частот часто усиливается при использовании резонанса в смесительной среде. Во многих конфигурациях сумма первых двух фотонов будет настроена близко к резонансному состоянию. Однако, близко к резонансам, показатель преломления изменяется быстро и из-за того, что сложение четырех коллинеарных k-векторов не суммируется точно до нуля - таким образом, длинные пути смешивания не всегда возможны, поскольку четыре компонента теряют синхронизацию фазы. Следовательно, лучи часто фокусируются как для интенсивности, так и для сокращения зоны смешения.

В газовых средах часто упускается из виду сложность, заключающаяся в том, что световые лучи редко бывают плоскими волнами, но часто фокусируются для получения дополнительной интенсивности, это может добавить дополнительный сдвиг по фазе pi к каждому k-вектору в условии фазового согласования. Часто очень трудно удовлетворить это в конфигурации суммарной частоты, но это легче выполняется в конфигурации разностной частоты (где сдвиги фазы pi компенсируются). В результате разностная частота обычно настраивается более широко, и ее проще настраивать, чем генерация суммарной частоты, что делает ее предпочтительной в качестве источника света, даже несмотря на то, что она менее квантово эффективна, чем генерация суммарной частоты.

Частным случаем генерации суммарной частоты, когда все входящие фотоны имеют одинаковую частоту (и длину волны), является генерация третьей гармоники (THG) .

Вырожденное четырехволновое смешение

Четырехволновое смешение также присутствует, если взаимодействуют только две компоненты. В этом случае срок

${\ displaystyle f_ {0} = f_ {1} + f_ {1} -f_ {2}}$

объединяет три компонента, создавая, таким образом, так называемое вырожденное четырехволновое смешение , проявляя свойства, идентичные случаю трех взаимодействующих волн.

Неблагоприятные эффекты FWM в оптоволоконной связи

FWM - это оптоволоконная характеристика, которая влияет на системы мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM), в которых несколько длин оптических волн разнесены с равными интервалами или разносом каналов. Эффекты FWM выражены при уменьшении разнесения каналов по длинам волн (например, в плотных системах WDM) и при высоких уровнях мощности сигнала. Высокая хроматическая дисперсия уменьшает эффекты FWM, поскольку сигналы теряют когерентность , или, другими словами, фазовое рассогласование между сигналами увеличивается. Помехи FWM, вызываемые в системах WDM, известны как межканальные перекрестные помехи . FWM можно уменьшить за счет использования неравномерного разнесения каналов или волокна, которое увеличивает дисперсию. Для особого случая, когда три частоты близки к вырожденным, оптическое разделение разностной частоты может оказаться технически сложной задачей.

${\ displaystyle f_ {ijk} = f_ {i} + f_ {j} -f_ {k}, \ mathrm {where} \, i, j \ neq k}$

Приложения FWM

ЧВС находит применение в оптическом ОВФЕ , параметрическом усилении , генерация суперконтинуума , вакуумной ультрафиолетовой генерация света и в микрорезонаторном на основе частоты гребенчатого поколения. Параметрические усилители и генераторы, основанные на четырехволновом смешивании, используют нелинейность третьего порядка, в отличие от большинства типичных параметрических генераторов, которые используют нелинейность второго порядка. Помимо этих классических приложений, четырехволновое смешение оказалось перспективным в квантово-оптическом режиме для генерации одиночных фотонов , коррелированных пар фотонов, сжатого света и запутанных фотонов .

Смотрите также

• Оптическое ОВФ, ОВФ-зеркало
• Генерация суперконтинуума
• Гребенка частоты Керра
• Оптический эффект Керра
• Уравнение Лугиато – Лефевера

Рекомендации

Внешние ссылки

• Энциклопедия лазерной физики и техники