光折变效应

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：1A，2A为一对泵浦广，当信号光3A输入时，就会产生位相共轭光4A。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)3(代表介质的三阶非线性极化系数。取421，亦即满足所谓简并四波混频条件,并令021kk,而4k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43kk),而且对探测波相前反演(即*43EE)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(4321)与动量守恒(04321kkkk)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cnAA/221)3(*为耦合系数。因只有探测波输入，故边界条件是,404)0(AA0)(3LA.(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(photorefractiveeffect)是光致折射率变化效应(photo-inducedrefractiveindexchangeeffect)的缩称。这一术语的含义是电光材料在光辐照下,折射率随光强的空间分布而变化。折射率的这种变化与通常在强光场作用下所引起的非线性折射率变化的机制完全不同,后者起因于光致瞬态非线性电极化。光折变效应是发生在电光材料中的一种复杂光电过程。这个过程可概括如下:电光晶体内的杂质、空位或缺陷充当电荷的施主或受主。当晶体在光辐照下,光激发电荷进入邻近的能带。光激发载流子在带中或因浓度梯度扩散,或在电场作用下漂移,或由光生伏打效应而运动。迁移的电荷可以被重新俘获。经过再激发,再迁移,再俘获,最后离别了光照区而定居于暗光区。这样形成了与光强空间分布相对应的空间电荷分布。这些光致分离的空间电荷按照泊松方程产生相应的空间电荷场尽管光致空间电荷密度并不算大,典型的量级在百万分之一左右,但由它们所产生的空间电荷场可显著地引起晶格的畸变。如果晶体不存在反演对称性,空间电荷场将通过线性电光效应(泡克耳斯效应)在晶体内形成折射率在空间的调制变化,或者说在晶体内写入体相位栅。并且,光束在写入相位栅同时,又受到自写入相位栅的衍射作用进行读出,因此光束的读写过程在光折变晶体内是同时进行的。这样记录的相位栅是一种动态光栅,实时全息体光栅。这种动态光栅对写入光束的自衍射,将引起光波的振幅、位相、偏振甚至频率的变化。从这个意义4、自泵浦位相共轭镜一束光入射到光折变晶体上可以产生该入射光的位相共轭光的器件称为自泵浦位相共轭镜,所有这些共轭器都是借助于外反射镜或晶体内角反射使光折变扇形散射光回到晶体内，这些散射光和入射光通过四波混频过程产生位相共轭光。三、实验1、猫镜自泵浦共轭镜的实现及其位相共轭反射率的测量（1）猫镜自泵浦共轭镜的实现实现光路图如下图所示：实验步骤：（1）打开激光器，调整激光器光束水平，把晶体取出放在支撑台上，调节至合适位置，使光束可以打在晶体上。在激光器前加半波片，并调节使其与光路等高共轴；（2）注意晶体光轴的方向，调整波片的偏振方向，直找到相位共轭光波，注意区分光波点不是反射光。此时，晶体照在墙上的散射光最强,且在晶体内可以观察到光折变扇形折射光。(2)位相共轭反射率的测量实验方案设想在光路中加分束镜，光路如图所示，分束镜使H光透射，V光反射，理想分束镜对光没有吸收作用，通过测量入射光功率P1，入射光经分数镜反射功率P2，入射光经分数镜透射功率P3,位相共轭光经分束镜反射光的功率P4,若位相共轭光的功率P5,则分束镜反射率，即位相共轭反射率最后算出位相共轭的反射率R。实验步骤：1）在原有光路中加入分束镜，调节共轴等高,分束镜方向与光轴方向夹角为45度；2）用功率计分别测量入射光功率P1，入射光经分束镜反射功率P2，入射光经分束镜透射功率P3，位相共轭光经分束镜反射功率P4,注意功率计归零及其量程的选择。实验数据：入射光位置1处I1=32.7mW，位置2透射I2=30.3mW，位置3反射I3=2.4mW，位置4为经过晶体后的再反射I4=1.0mW。I1=I2+I3，则经过晶体后反射I=I1xI4/I3,反射率为I/I2=44.97%。2、畸变物体分束镜像的恢复实验光路图如下图所示：3、实验步骤：（1）调整光路，按照上图放上透镜21,LL，通过观察光束的大小，调整两透镜的位置使L2发出平行光，照射物体，即两透镜共焦，短焦距透镜在前，长焦距透镜在后，透镜焦距简单判断方法，把透镜在日光灯下照射粗略判断其焦距大小。放上透镜3L照射晶体。（2）观察相位共轭镜下，无畸变介质时和有畸变介质时的物象。（3）拿掉晶体，放上普通反射镜，观察无畸变介质时和有畸变介质时的物象。图1a相位共轭镜下无非线性介质时观察到的物象图1b相位共轭镜下非线性介质时候观察到的物象图2a反射镜下无非线性介质观察到的物象图2b反射镜下加非线性介质观察到的物象四、实验结论对比图1a与图1b，图2a与图2b，可得，相位共轭镜具有补偿波前失真的特性，可使畸变物象得到恢复，而普通的反射镜则没有该特性，光波通过两次非均匀介质，产生的波前畸变是积累的。观察最终的成像，加普通反射镜时反射光没有沿原路返回，因此透镜和反射镜的组合使得最终看到的像是倒立并且左右翻转的像，而相位共轭镜使位相共轭波沿原路返回，因此得到的像和原来一样。五、参考文献1A.Ashkinetal.Appl.Phys.Lett.，Vol.9，72，19662PochiYeh，IntroductiontoPhotorefractiveNonlinearOptics,Wiley,NewYork,19933刘思敏，郭儒，许京军，光折变非线性光学及其应用，北京：科学出版社，2004年