兩束或兩束以上不同頻率的單色強光同時入射到非線性介質後，通過介質的兩次或更高次非線性電極化係數的耦合，產生光學和頻與光學差頻光波的現象。
基本介紹
- 中文名：光學混頻
- 表達式：產生光學和頻與光學差頻光波的現象
- 套用學科：物理
- 適用領域範圍：光
名詞詳解,實驗歷史,光學分類,套用,
名詞詳解
這一非線性光學效應和光學倍頻效應產生的機理完全相同。其實驗裝置如圖，選用兩種不同頻 率、不同線偏振狀態的單色雷射，經過一定的光學裝置，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過適當的分光裝置，使不同頻率成分的光束在空間上分離開，然後再對不同頻率的光分別進行檢測。在這類裝置中，也常利用非線性晶體的雙折射效應來補償色散效應，以實現位相匹配，提高轉換效率。
光學混頻
光學混頻實驗歷史
最早的和頻效應於1962年利用紅寶石的6943Å雷射譜線與高壓汞弧燈發出的準單色輻射在KDP晶體中實現。在滿足位相匹配的條件下，已在多種非線性光學晶體內實現了波長不同的雷射輻射間的和頻效應。藉助和頻效應可獲得紫外、真空紫外波段的可調諧雷射，並可藉此探測紅外輻射。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的非線性高次奇次項，也可實現和頻效應。
受位相匹配條件和信號透過率的限制，光學差頻效應方面的實驗研究尚不多。最初發現的差頻效應是在1962年利用置於紅寶石雷射器諧振腔內的石英晶體，所觀察到的紅寶石的不同縱向振盪模式頻率組分間的差頻信號。其頻率值為2.964千兆赫，在電磁波譜的微波區域內。差頻效應是產生紅外、特別是遠紅外波段的可調諧相干輻射的重要手段之一。可以利用差頻效應，在光學中作頻率測量，如測量氣體雷射器中兩縱向模式之間的頻差；在高解析度光譜學中檢測光頻的變化；在光電子學中作外差接收。
光學分類
常見的光學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。混頻產生的光束，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。又分別稱為光學和頻與差頻。二階混頻來源於介質在兩束入射光同時作用下產生的二階非線性極化，即極化強度中頻率為ω1+ω2及ω1-ω2的部分(見非線性光學)。這兩部分極化強度相當於兩種頻率分別為 ω1+ω2和ω1-ω2的振盪電偶極矩。兩束入射光與介質作用的結果，在介質中激勵起分別具有這兩種振盪頻率的兩個偶極矩陣列。此陣列的輻射分別就是和頻光與差頻光。但是，與光學倍頻相類似，要有效地產生混頻光束還必須要求偶極矩陣列中各振盪偶極矩間保持恰當的位相關係。亦即要滿足位相匹配條件。這個條件也可從混頻過程中必須遵守的能量及動量守恆條件得到。對於和頻過程,能量守恆體現在兩個頻率分別為ω1和ω2的光子的能量轉化為一個頻率為ω1+ω2 的光子的能量。相應的動量守恆條件就要
。此即位相匹配條件。其中k(ω)是頻率為ω 的光波在介質中的波矢。對於差頻過程 ,能量守恆體現在頻率為ω1的一個光子的能量轉化為兩個頻率分別為ω2及ω1-ω2的光子的能量。 相應的動量守恆條件要求波矢間滿足 。
光學混頻
光學混頻二階光學倍頻只能產生在不具有中心對稱的晶體或其他介質中。常用的混頻晶體與倍頻晶體相同。實現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於兩入射光束的功率密度，也正比於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。
光學混頻
光學混頻三階混頻
它有三束入射光，連同混頻產生的光束在內一般共有四個光波參與過程。因此亦常稱為四波混頻。混頻產生的光束可以分別是三束光的頻率ω1、ω2及ω3的和差組合。三階混頻來源於介質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或具有中心對稱的晶體中產生。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。
要有效地產生三階混頻輸出，也必須滿足相應的位相匹配條件。後者亦可從過程的能量與動量守恆的分析中得到。例如,輸出光頻率為 ω1±ω2±ω3 的三階混頻,其相應的位相匹配條件為。
為實現位相匹配條件可採取不同方法。一種是通過適當選擇入射光之間的相對方向，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，可通過加入適當濃度的色散性質相反的補償氣體(通常為惰性氣體)來實現。
光學混頻
光學混頻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。對於同一介質,Ⅹ(3)一般隨著參與混頻的四個光波的頻率而改變，對於具有分立能級的原子、分子或固體系統，當參與混頻的任一光束的頻率或它們之間適當的和與差恰好與系統中某一對能級發生共振時,Ⅹ(3)出現尖銳的極大。此現象稱為共振增強效應。通常，利用此效應可大幅度地增加四波混頻的效率。 光學混頻套用很廣泛，利用它可實現雷射頻率的上、下轉換，擴展雷射的波段，以產生紫外、真空紫外和中紅外雷射；也可通過紅外線的上轉換解決紅外線接收困難的問題。共振增強效應已被用作研究物質光譜的手段。當三束入射光的頻率及其混頻輸出光束的頻率都相同時，稱為簡併四波混頻。後者已被用作產生位相共軛波的主要手段（見光學位相復共軛）。
套用
雷射外差探測
外差探測的原理與無線電波段的外差探測相似。來自被探測目標的輻射即信號光束，與本機振盪光束同時入射到光探測器上。兩條光束在光探測器上疊加。若光探測器的反應速度足夠高，就能檢出其差頻信號。差頻信號經中頻放大器放大，用頻譜分析儀或其他終端機指示,完成光的外差探測（圖2）。 雷射探測 在外差探測中，探測器除了具有直接探測的功能外，還能獲得光信號的相位、頻率、目標速度等信息。外差探測因增加了一束強的本機振盪光束，而能提高光探測的轉換增益。此外，中頻放大器只放大差頻信號，放大器的頻寬可以做得比較窄，從而增大光探測器輸出的信噪比。由於這些原因，外差探測的靈敏度比直接探測的靈敏度高7～8個數量級。 外差探測系統主要由光學天線、本機振盪器、光混頻器、中頻放大器、窄帶帶通濾波器和終端機組成。 光混頻器是外差探測系統的關鍵部件，大多數選用光子型探測器，也可選用熱電探測器。在10.6微波波段，碲鎘汞探測器是一種性能很好的光混頻器。 外差探測要求本機振盪器的振盪頻率十分穩定。採取消聲、防震、恆溫等被動穩頻措施，能使雷射器的頻率穩定度達到10以上。 外差探測系統分主動式和被動式兩種。主動式系統的發射機向被測目標發射一束強雷射束。光學天線把從目標反射的回波會聚起來，與本機振盪光束一同準直到光探測器上，以進行混頻，並檢出差頻信號。被動式系統不需要發射機，直接會聚目標的輻射，並與本機振盪一起準直到光探測器上，實現光混頻。 當被測目標與接收機之間有相對運動時，會出現都卜勒效應。人們經常利用這種效應對運動目標的速度進行測量。 外差接收機的靈敏度用噪聲等效功率Pne表示。Pne的表達式與光混頻器的類型有關。用光電導型探測器作光混頻器時,Pne=2hνB；用光伏型探測器作光混頻器時，Pne=hνB。式中B為接收機頻寬。工作在10.6微米的外差接收機，其極限靈敏度為Pne/B=1.87×10-20瓦/赫。 雷射探測 外差探測主要套用於雷射測速、跟蹤等相干光雷達，以及雷射通信、光譜學和輻射測量等方面。圖3為CO2雷射外差接收機的示意圖。
