Четырехволновое смешивание

Четырехволновое смешивание ( FWM ) — это явление интермодуляции в нелинейной оптике , при котором взаимодействие между двумя или тремя длинами волн создает 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. котором энергия входящих фотонов сохраняется Это параметрический нелинейный процесс, в . FWM — это фазочувствительный процесс, поскольку на эффективность процесса сильно влияют условия фазового синхронизма .

Механизм

Диаграмма уровней энергии для невырожденного процесса четырехволнового смешения. Верхний энергетический уровень может быть реальным атомным или молекулярным уровнем (резонансное четырехволновое смешение) или виртуальным уровнем, сильно отстроенным от резонанса. Эта диаграмма описывает четырехволновое смешивающее взаимодействие 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 образуется в результате рассеяния падающих фотонов, создавая четвертый фотон.

Учитывая входные данные 1 _, f ₂ 3 и f _f , нелинейная система выдаст

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

В результате расчетов с тремя входными сигналами обнаружено, что создаются 12 мешающих частот, три из которых лежат на одной из исходных входящих частот. Обратите внимание, что эти три частоты, которые лежат на исходных входящих частотах, обычно относятся к автофазовой и перекрестной фазовой модуляции и естественным образом синхронизируются по фазе, в отличие от FWM.

Генерация суммарной и разностной частоты

Две распространенные формы четырехволнового смешивания называются генерацией суммарной частоты и генерацией 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 третья.

Условием эффективной генерации ЧВВ является фазовый синхронизм: связанные k-векторы четырех компонентов должны суммироваться с нулем, когда они представляют собой плоские волны. Это становится важным, поскольку генерация суммарной и разностной частоты часто усиливается при использовании резонанса в смесительных средах. Во многих конфигурациях сумма первых двух фотонов будет настроена близко к резонансному состоянию. Однако вблизи резонансов показатель преломления быстро меняется и приводит к тому, что четыре коллинеарных k-вектора не могут суммироваться точно до нуля - таким образом, длинные пути смешивания не всегда возможны, поскольку четыре компонента теряют фазовую синхронизацию. Следовательно, лучи часто фокусируются как для увеличения интенсивности, так и для сокращения зоны смешивания.

В газообразных средах часто упускаемая из виду сложность заключается в том, что световые лучи редко представляют собой плоские волны, а часто фокусируются для получения дополнительной интенсивности. Это может добавить дополнительный пи-фазовый сдвиг к каждому k-вектору в условии фазового синхронизма. Часто это очень сложно удовлетворить в конфигурации с суммарной частотой, но это легче выполнить в конфигурации с разностной частотой (где фазовые сдвиги pi компенсируются). В результате разностная частота обычно более широко настраивается и ее проще настроить, чем генерацию суммарной частоты, что делает ее более предпочтительной в качестве источника света, хотя она менее квантово-эффективна, чем генерация суммарной частоты.

Особым случаем генерации суммарной частоты, когда все входные фотоны имеют одинаковую частоту (и длину волны), является генерация третьей гармоники (ГТГ) .

Вырожденное четырехволновое смешение

Четырехволновое смешение имеет место и в том случае, если взаимодействуют только две компоненты. В этом случае термин

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

соединяет три компонента, создавая, таким образом, так называемое вырожденное четырехволновое смешение , проявляющее те же свойства, что и в случае трех взаимодействующих волн.

Побочные эффекты FWM в оптоволоконной связи

FWM — это оптоволоконная характеристика, которая влияет на системы мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM), в которых несколько оптических длин волн расположены через равные интервалы или разнос каналов. Эффекты FWM выражены при уменьшении разноса каналов длин 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, возникающие в системах WDM, известны как межканальные перекрестные помехи . FWM можно уменьшить, используя неравномерное расстояние между каналами или оптоволокно, увеличивающее дисперсию. В особом случае, когда три частоты близки к вырождению, оптическое разделение разностной частоты может оказаться технически сложной задачей.

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

Приложения

FWM находит применение в оптическом ОВФ , параметрическом усилении , генерации суперконтинуума , генерации вакуумного ультрафиолетового света на основе микрорезонаторов и генерации гребенки частот . Параметрические усилители и генераторы, основанные на четырехволновом смешении, используют нелинейность третьего порядка, в отличие от большинства типичных параметрических генераторов, которые используют нелинейность второго порядка. Помимо этих классических приложений, четырехволновое смешивание показало себя многообещающим в квантово-оптическом режиме для генерации одиночных фотонов . коррелированные пары фотонов, сжатый свет и запутанные фотоны .

См. также

• Частотная гребенка Керра
• Уравнение Луджиато – Лефевера
• Оптический эффект Керра
• Оптическое ОВФ, ОВФ зеркало
• суперконтинуума Поколение

Внешние ссылки

• Энциклопедия лазерной физики и технологий