光學(xué)混頻

名詞詳解

　　這一非線性光學(xué)效應(yīng)和光學(xué)倍頻效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理完全相同。其實(shí)驗(yàn)裝置如圖，選用兩種不同頻率、不同線偏振狀態(tài)的單色激光，經(jīng)過一定的光學(xué)裝置，以平行光束或聚焦光束的方式與非線性晶體光軸成一定的角度入射，通過晶體的出射光束再經(jīng)過適當(dāng)?shù)姆止庋b置，使不同頻率成分的光束在空間上分離開，然后再對(duì)不同頻率的光分別進(jìn)行檢測(cè)。在這類裝置中，也常利用非線性晶體的雙折射效應(yīng)來補(bǔ)償色散效應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)位相匹配，提高轉(zhuǎn)換效率。

實(shí)驗(yàn)的歷史

　　最早的和頻效應(yīng)于1962年利用紅寶石的6943&Aring；激光譜線與高壓汞弧燈發(fā)出的準(zhǔn)單色輻射在KDP晶體中實(shí)現(xiàn)。在滿足位相匹配的條件下，已在多種非線性光學(xué)晶體內(nèi)實(shí)現(xiàn)了波長不同的激光輻射間的和頻效應(yīng)。借助和頻效應(yīng)可獲得紫外、真空紫外波段的可調(diào)諧激光，并可借此探測(cè)紅外輻射。利用金屬蒸汽與惰性氣體的混合物、純惰性氣體等氣體介質(zhì)的非線性高次奇次項(xiàng)，也可實(shí)現(xiàn)和頻效應(yīng)。

　　受位相匹配條件和信號(hào)透過率的限制，光學(xué)差頻效應(yīng)方面的實(shí)驗(yàn)研究尚不多。最初發(fā)現(xiàn)的差頻效應(yīng)是在1962年利用置于紅寶石激光器諧振腔內(nèi)的石英晶體，所觀察到的紅寶石的不同縱向振蕩模式頻率組分間的差頻信號(hào)。其頻率值為2.964千兆赫，在電磁波譜的微波區(qū)域內(nèi)。差頻效應(yīng)是產(chǎn)生紅外、特別是遠(yuǎn)紅外波段的可調(diào)諧相干輻射的重要手段之一。可以利用差頻效應(yīng)，在光學(xué)中作頻率測(cè)量，如測(cè)量氣體激光器中兩縱向模式之間的頻差；在高分辨率光譜學(xué)中檢測(cè)光頻的變化；在光電子學(xué)中作外差接收。

分類

　　常見的光學(xué)混頻有二階混頻和三階混頻兩大類。

　　二階混頻

　　它的入射光束只有兩束?；祛l產(chǎn)生的光束，其頻率可以是入射光束頻率ω1及 ω2之和 ，也可以是它們之差。又分別稱為光學(xué)和頻與差頻。二階混頻來源于介質(zhì)在兩束入射光同時(shí)作用下產(chǎn)生的二階非線性極化，即極化強(qiáng)度中頻率為ω1+ω2及ω1-ω2的部分(見非線性光學(xué))。這兩部分極化強(qiáng)度相當(dāng)于兩種頻率分別為 ω1+ω2和ω1-ω2的振蕩電偶極矩。兩束入射光與介質(zhì)作用的結(jié)果，在介質(zhì)中激勵(lì)起分別具有這兩種振蕩頻率的兩個(gè)偶極矩陣列。此陣列的輻射分別就是和頻光與差頻光。但是，與光學(xué)倍頻相類似，要有效地產(chǎn)生混頻光束還必須要求偶極矩陣列中各振蕩偶極矩間保持恰當(dāng)?shù)奈幌嚓P(guān)系。亦即要滿足位相匹配條件。這個(gè)條件也可從混頻過程中必須遵守的能量及動(dòng)量守恒條件得到。對(duì)于和頻過程，能量守恒體現(xiàn)在兩個(gè)頻率分別為ω1和ω2的光子的能量轉(zhuǎn)化為一個(gè)頻率為ω1+ω2 的光子的能量。相應(yīng)的動(dòng)量守恒條件就要。此即位相匹配條件。其中k(ω)是頻率為ω 的光波在介質(zhì)中的波矢。對(duì)于差頻過程 ，能量守恒體現(xiàn)在頻率為ω1的一個(gè)光子的能量轉(zhuǎn)化為兩個(gè)頻率分別為ω2及ω1-ω2的光子的能量。 相應(yīng)的動(dòng)量守恒條件要求波矢間滿足 。

　　二階光學(xué)倍頻只能產(chǎn)生在不具有中心對(duì)稱的晶體或其他介質(zhì)中。常用的混頻晶體與倍頻晶體相同。實(shí)現(xiàn)位相匹配的方法也相似。在位相匹配條件下，混頻光束的功率密度分別正比于兩入射光束的功率密度，也正比于晶體作用長度的二次方。此外還與二階非線性極化率二次方成正比。

　　三階混頻

　　它有三束入射光，連同混頻產(chǎn)生的光束在內(nèi)一般共有四個(gè)光波參與過程。因此亦常稱為四波混頻。混頻產(chǎn)生的光束可以分別是三束光的頻率ω1、ω2及ω3的和差組合。三階混頻來源于介質(zhì)在三束入射光作用下的三階非線性極化。因此，這種混頻也可在各向同性的介質(zhì)或具有中心對(duì)稱的晶體中產(chǎn)生。在惰性氣體、原子蒸氣、液體、液晶和一些固體中，均已觀察到三階混頻。

　　要有效地產(chǎn)生三階混頻輸出，也必須滿足相應(yīng)的位相匹配條件。后者亦可從過程的能量與動(dòng)量守恒的分析中得到。例如，輸出光頻率為 ω1±ω2±ω3 的三階混頻，其相應(yīng)的位相匹配條件為。　為實(shí)現(xiàn)位相匹配條件可采取不同方法。一種是通過適當(dāng)選擇入射光之間的相對(duì)方向，稱為非共線相匹配。另一種，入射光束均在同一方向，但通過控制折射率的色散來滿足位相匹配條件，稱為共線相匹配。例如在原子蒸氣三階混頻中的共線相匹配，可通過加入適當(dāng)濃度的色散性質(zhì)相反的補(bǔ)償氣體(通常為惰性氣體)來實(shí)現(xiàn)。

　　在滿足位相匹配條件下，三階混頻輸出功率密度不僅分別與三束入射光的功率密度成正比，而且和三階非線性極化率Ⅹ(3)的二次方成比例。對(duì)于同一介質(zhì)，Ⅹ(3)一般隨著參與混頻的四個(gè)光波的頻率而改變，對(duì)于具有分立能級(jí)的原子、分子或固體系統(tǒng)，當(dāng)參與混頻的任一光束的頻率或它們之間適當(dāng)?shù)暮团c差恰好與系統(tǒng)中某一對(duì)能級(jí)發(fā)生共振時(shí)，Ⅹ(3)出現(xiàn)尖銳的極大。此現(xiàn)象稱為共振增強(qiáng)效應(yīng)。通常，利用此效應(yīng)可大幅度地增加四波混頻的效率。 　光學(xué)混頻應(yīng)用很廣泛，利用它可實(shí)現(xiàn)激光頻率的上、下轉(zhuǎn)換，擴(kuò)展激光的波段，以產(chǎn)生紫外、真空紫外和中紅外激光；也可通過紅外線的上轉(zhuǎn)換解決紅外線接收困難的問題。共振增強(qiáng)效應(yīng)已被用作研究物質(zhì)光譜的手段。當(dāng)三束入射光的頻率及其混頻輸出光束的頻率都相同時(shí)，稱為簡并四波混頻。后者已被用作產(chǎn)生位相共軛波的主要手段（見光學(xué)位相復(fù)共軛）。

光學(xué)混頻和非線性光學(xué)的應(yīng)用

　　激光外差探測(cè)

　　外差探測(cè)的原理與無線電波段的外差探測(cè)相似。來自被探測(cè)目標(biāo)的輻射即信號(hào)光束，與本機(jī)振蕩光束同時(shí)入射到光探測(cè)器上。兩條光束在光探測(cè)器上疊加。若光探測(cè)器的反應(yīng)速度足夠高，就能檢出其差頻信號(hào)。差頻信號(hào)經(jīng)中頻放大器放大，用頻譜分析儀或其他終端機(jī)指示，完成光的外差探測(cè)（圖2）。激光探測(cè)　在外差探測(cè)中，探測(cè)器除了具有直接探測(cè)的功能外，還能獲得光信號(hào)的相位、頻率、目標(biāo)速度等信息。外差探測(cè)因增加了一束強(qiáng)的本機(jī)振蕩光束，而能提高光探測(cè)的轉(zhuǎn)換增益。此外，中頻放大器只放大差頻信號(hào)，放大器的帶寬可以做得比較窄，從而增大光探測(cè)器輸出的信噪比。由于這些原因，外差探測(cè)的靈敏度比直接探測(cè)的靈敏度高7～8個(gè)數(shù)量級(jí)。

    　外差探測(cè)系統(tǒng)主要由光學(xué)天線、本機(jī)振蕩器、光混頻器、中頻放大器、窄帶帶通濾波器和終端機(jī)組成。 　光混頻器是外差探測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，大多數(shù)選用光子型探測(cè)器，也可選用熱電探測(cè)器。在10.6微波波段，碲鎘汞探測(cè)器是一種性能很好的光混頻器。

    　外差探測(cè)要求本機(jī)振蕩器的振蕩頻率十分穩(wěn)定。采取消聲、防震、恒溫等被動(dòng)穩(wěn)頻措施，能使激光器的頻率穩(wěn)定度達(dá)到10以上。

    　外差探測(cè)系統(tǒng)分主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。主動(dòng)式系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)向被測(cè)目標(biāo)發(fā)射一束強(qiáng)激光束。光學(xué)天線把從目標(biāo)反射的回波會(huì)聚起來，與本機(jī)振蕩光束一同準(zhǔn)直到光探測(cè)器上，以進(jìn)行混頻，并檢出差頻信號(hào)。被動(dòng)式系統(tǒng)不需要發(fā)射機(jī)，直接會(huì)聚目標(biāo)的輻射，并與本機(jī)振蕩一起準(zhǔn)直到光探測(cè)器上，實(shí)現(xiàn)光混頻。 

    　當(dāng)被測(cè)目標(biāo)與接收機(jī)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)多普勒效應(yīng)。人們經(jīng)常利用這種效應(yīng)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度進(jìn)行測(cè)量。  

    　外差接收機(jī)的靈敏度用噪聲等效功率Pne表示。Pne的表達(dá)式與光混頻器的類型有關(guān)。用光電導(dǎo)型探測(cè)器作光混頻器時(shí)，Pne=2hνB；用光伏型探測(cè)器作光混頻器時(shí)，Pne=hνB。式中B為接收機(jī)帶寬。工作在10.6微米的外差接收機(jī)，其極限靈敏度為Pne/B=1.87×10-20瓦/赫。 激光探測(cè)　外差探測(cè)主要應(yīng)用于激光測(cè)速、跟蹤等相干光雷達(dá)，以及激光通信、光譜學(xué)和輻射測(cè)量等方面。圖3為CO2激光外差接收機(jī)的示意圖。

　　相干光通信

　　在發(fā)送端，采用外調(diào)制方式將信號(hào)調(diào)制到光載波上進(jìn)行傳輸。當(dāng)信號(hào)光傳輸到達(dá)接收端時(shí)，首先與一本振光信號(hào)進(jìn)行相干耦合，然后由平衡接收機(jī)進(jìn)行探測(cè)。相干光通信根據(jù)本振光頻率與信號(hào)光頻率不等或相等，可分為外差檢測(cè)和零差檢測(cè)。前者光信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后獲得的是中頻信號(hào)，還需二次解調(diào)才能被轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)。后者光信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后被直接轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)，不用二次解調(diào)，但它要求本振光頻率與信號(hào)光頻率嚴(yán)格匹配，并且要求本振光與信號(hào)光的相位鎖定。