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1、研究生实验报告实验项目名称四波混频特性实验研究课程名称现代物理实验方法（一）姓名学 号专业凝聚态物理年级院、所物理学院年月日研究生实验报告评价标准指标评价内容评价等级（分值）ABCD得分设计实验设计是否合理、可行；实验方法是否得当。20-1615-1110-65-0数据数据记录是否真实准确，数据处理是否科学。20-1615-1110-65-0结论结论是否明确；结果与数据是否统一。20-1615-1110-65-0规范文字表达是否准确、流畅；体例是否规范；是否符合学术道德规范。20-1615-1110-65-0能力是否体现了实验研究能力；是否运用了本门课程所学的理论
2、知识。20-1615-1110-65-0评阅教师签名：年月日总分：Word资料实验目的：1.了解偶氮染料聚合物的非线性光学特性；2.理解掌握四波混频的基本知识和实验方法，掌握泵浦、探测光和信号光三者的关系；3.了解四波混频的应用范围。实验装置：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。实验原理：一、光波在非线性介质中的耦合方程 光场是电磁波，它应服从电磁场运动的一般规律—麦克斯韦方程：▽×E=-B/t▽×E=D/t+▽·D=ρ▽·B=0在介质中存在物质方程：D=ε0E+PB=μ0H+μ0MJ=σE其中电位移矢量D为：D=εE=ε0E+P在电场
3、的作用下如果考虑了介质的非线性作用，则极化强度应由线性项和非线性项组成，即：P=PL+PNLWord资料当场强较低时，可以忽略非线性项PNL而保留线性项PL，这正是通常线性光学问题。当电场强度较高时，可以将非线性极化强度写成级数形式：P=ε0χ（1）E+ε0χ（2）E2+ε0χ（3）E3+…=P（1）+P（2）+P（3）+…式中χ（i）是i阶电极化率或线性电极化率，是i阶张量。二阶及其以上各阶极化率统称非线性极化率。利用麦克斯韦方程以及物质方程得到光波在介质中传播的波动方程：〔▽×（▽×）+〕E（r,t）=μ00p（r,t）由于波的相互作用，在极化强度中应考虑非线性
4、项。现设电场强度E（r,t）可展开成无限个平面波的组合，即E（r,t）=又有P=PL+PNL用表示介电常数则上述方程变为〔〔▽×（▽×）-〕E（k,ω）=ω2μ0PNL（km,ωm）设PNL（km,ωm）是E1（k1,ω1），E2（k2,ω2），…，En（kn,ωn）共n个场作用于介质产生的非线性极化强度，因此这n个场通过PNL（km,ωm）相互间的耦合。这就是光波间耦合方程。二、简并四波混频的耦合波方程简并四波混频〔即四个波都有相同的频率〕对应光电场与物质相互作用的三阶微扰，比二阶效应弱很多。三阶效应的产生与三阶非线性极化率对于有关。对于非共振型非线性介质来说χ（
5、3）Word资料不可能很大。当光频接近于材料的电子共振频率时,由于极化率共振增强,有可能大大提高相位共轭反射系数。随着实验材料研究的进展，特别是有机非线性材料的出现，人们可以在分子的水平上设计材料的结构来得到在特定波长激光照射下具有较大χ（3）的材料。采用共振型非线性材料介质就可以在较低的泵浦强度下,获得较强的相位共轭波，甚至可以连续工作。可调谐激光技术的飞速发展也使共振增强很容易在介质中实现，它通过改变输出激光的功率来调节与材料直接的共振关系，使得三阶效应增强。设有频率为ω的三个波E1（ω，Z）、E2（ω，Z）、E3（ω，Z），作用于非线性介质。E1和E2为强度接
6、近相等、传播方向相反的两个强泵浦波，E3为与E1和E2成一角度(小于8度)的探测波。这三个光波在非线性介质中相互作用结果，能产生一频率仍为ω的波E4，称信号波，它与探测波是相位共轭的。可以证明，在上述四波作用下，信号波的大小与非线性介质的χ（3）和泵浦波E1和E2的强度有关系。下面我们讨论入射光波是平面波的情况时的耦合波方程。简并四波混频（DFWM）的结构示意图如下。其中的非线性介质是透明、无色散的介质，三阶非线性极化率是χ（3）。图1．简并四波混频的结构示意图在介质中相互作用的四个平面波为Word资料Ei=E(r)exp[－i(ωt－κi·r)]+E(r)exp[
7、i(ωt－κl·r)]l=1,2,3,4其中，E1,E2是彼此反向传播的泵浦波，E3，E4是彼此反向传播的探测波和相位共轭波。一般情况下，探测光和泵浦光传播方向有一个夹角，但它们的波矢满足相位匹配条件：κ1+κ2=κ3+κ4=0如果四个光波为偏振方向相同的线偏振光，则根据非线性极化强度的一般关系，可以得到相应于某一场分量（如相位共轭光E4）的感应非线性极化强度为：P4（r,t）=ε0χ（3）{3[2︱E1(r)︱2+2︱E2(r)︱2+2︱E3(r)︱2+︱E4(r)︱2]E4(r)+6E1(r)E2(r)E*3(r)}exp[－i(ωt－κ·r)]+C.C..
