光学混频

名词详解

　　这一非线性光学效应和光学倍频效应产生的机理完全相同。其实验装置如图，选用两种不同频率、不同线偏振状态的单色激光，经过一定的光学装置，以平行光束或聚焦光束的方式与非线性晶体光轴成一定的角度入射，通过晶体的出射光束再经过适当的分光装置，使不同频率成分的光束在空间上分离开，然后再对不同频率的光分别进行检测。在这类装置中，也常利用非线性晶体的双折射效应来补偿色散效应，以实现位相匹配，提高转换效率。

实验的历史

　　最早的和频效应于1962年利用红宝石的6943&Aring；激光谱线与高压汞弧灯发出的准单色辐射在KDP晶体中实现。在满足位相匹配的条件下，已在多种非线性光学晶体内实现了波长不同的激光辐射间的和频效应。借助和频效应可获得紫外、真空紫外波段的可调谐激光，并可借此探测红外辐射。利用金属蒸汽与惰性气体的混合物、纯惰性气体等气体介质的非线性高次奇次项，也可实现和频效应。

　　受位相匹配条件和信号透过率的限制，光学差频效应方面的实验研究尚不多。最初发现的差频效应是在1962年利用置于红宝石激光器谐振腔内的石英晶体，所观察到的红宝石的不同纵向振荡模式频率组分间的差频信号。其频率值为2.964千兆赫，在电磁波谱的微波区域内。差频效应是产生红外、特别是远红外波段的可调谐相干辐射的重要手段之一。可以利用差频效应，在光学中作频率测量，如测量气体激光器中两纵向模式之间的频差；在高分辨率光谱学中检测光频的变化；在光电子学中作外差接收。

分类

　　常见的光学混频有二阶混频和三阶混频两大类。

　　二阶混频

　　它的入射光束只有两束。混频产生的光束，其频率可以是入射光束频率ω1及 ω2之和 ，也可以是它们之差。又分别称为光学和频与差频。二阶混频来源于介质在两束入射光同时作用下产生的二阶非线性极化，即极化强度中频率为ω1+ω2及ω1-ω2的部分(见非线性光学)。这两部分极化强度相当于两种频率分别为 ω1+ω2和ω1-ω2的振荡电偶极矩。两束入射光与介质作用的结果，在介质中激励起分别具有这两种振荡频率的两个偶极矩阵列。此阵列的辐射分别就是和频光与差频光。但是，与光学倍频相类似，要有效地产生混频光束还必须要求偶极矩阵列中各振荡偶极矩间保持恰当的位相关系。亦即要满足位相匹配条件。这个条件也可从混频过程中必须遵守的能量及动量守恒条件得到。对于和频过程，能量守恒体现在两个频率分别为ω1和ω2的光子的能量转化为一个频率为ω1+ω2 的光子的能量。相应的动量守恒条件就要。此即位相匹配条件。其中k(ω)是频率为ω 的光波在介质中的波矢。对于差频过程 ，能量守恒体现在频率为ω1的一个光子的能量转化为两个频率分别为ω2及ω1-ω2的光子的能量。 相应的动量守恒条件要求波矢间满足 。

　　二阶光学倍频只能产生在不具有中心对称的晶体或其他介质中。常用的混频晶体与倍频晶体相同。实现位相匹配的方法也相似。在位相匹配条件下，混频光束的功率密度分别正比于两入射光束的功率密度，也正比于晶体作用长度的二次方。此外还与二阶非线性极化率二次方成正比。

　　三阶混频

　　它有三束入射光，连同混频产生的光束在内一般共有四个光波参与过程。因此亦常称为四波混频。混频产生的光束可以分别是三束光的频率ω1、ω2及ω3的和差组合。三阶混频来源于介质在三束入射光作用下的三阶非线性极化。因此，这种混频也可在各向同性的介质或具有中心对称的晶体中产生。在惰性气体、原子蒸气、液体、液晶和一些固体中，均已观察到三阶混频。

　　要有效地产生三阶混频输出，也必须满足相应的位相匹配条件。后者亦可从过程的能量与动量守恒的分析中得到。例如，输出光频率为 ω1±ω2±ω3 的三阶混频，其相应的位相匹配条件为。　为实现位相匹配条件可采取不同方法。一种是通过适当选择入射光之间的相对方向，称为非共线相匹配。另一种，入射光束均在同一方向，但通过控制折射率的色散来满足位相匹配条件，称为共线相匹配。例如在原子蒸气三阶混频中的共线相匹配，可通过加入适当浓度的色散性质相反的补偿气体(通常为惰性气体)来实现。

　　在满足位相匹配条件下，三阶混频输出功率密度不仅分别与三束入射光的功率密度成正比，而且和三阶非线性极化率Ⅹ(3)的二次方成比例。对于同一介质，Ⅹ(3)一般随着参与混频的四个光波的频率而改变，对于具有分立能级的原子、分子或固体系统，当参与混频的任一光束的频率或它们之间适当的和与差恰好与系统中某一对能级发生共振时，Ⅹ(3)出现尖锐的极大。此现象称为共振增强效应。通常，利用此效应可大幅度地增加四波混频的效率。 　光学混频应用很广泛，利用它可实现激光频率的上、下转换，扩展激光的波段，以产生紫外、真空紫外和中红外激光；也可通过红外线的上转换解决红外线接收困难的问题。共振增强效应已被用作研究物质光谱的手段。当三束入射光的频率及其混频输出光束的频率都相同时，称为简并四波混频。后者已被用作产生位相共轭波的主要手段（见光学位相复共轭）。

光学混频和非线性光学的应用

　　激光外差探测

　　外差探测的原理与无线电波段的外差探测相似。来自被探测目标的辐射即信号光束，与本机振荡光束同时入射到光探测器上。两条光束在光探测器上叠加。若光探测器的反应速度足够高，就能检出其差频信号。差频信号经中频放大器放大，用频谱分析仪或其他终端机指示，完成光的外差探测（图2）。激光探测　在外差探测中，探测器除了具有直接探测的功能外，还能获得光信号的相位、频率、目标速度等信息。外差探测因增加了一束强的本机振荡光束，而能提高光探测的转换增益。此外，中频放大器只放大差频信号，放大器的带宽可以做得比较窄，从而增大光探测器输出的信噪比。由于这些原因，外差探测的灵敏度比直接探测的灵敏度高7～8个数量级。

    　外差探测系统主要由光学天线、本机振荡器、光混频器、中频放大器、窄带带通滤波器和终端机组成。 　光混频器是外差探测系统的关键部件，大多数选用光子型探测器，也可选用热电探测器。在10.6微波波段，碲镉汞探测器是一种性能很好的光混频器。

    　外差探测要求本机振荡器的振荡频率十分稳定。采取消声、防震、恒温等被动稳频措施，能使激光器的频率稳定度达到10以上。

    　外差探测系统分主动式和被动式两种。主动式系统的发射机向被测目标发射一束强激光束。光学天线把从目标反射的回波会聚起来，与本机振荡光束一同准直到光探测器上，以进行混频，并检出差频信号。被动式系统不需要发射机，直接会聚目标的辐射，并与本机振荡一起准直到光探测器上，实现光混频。 

    　当被测目标与接收机之间有相对运动时，会出现多普勒效应。人们经常利用这种效应对运动目标的速度进行测量。  

    　外差接收机的灵敏度用噪声等效功率Pne表示。Pne的表达式与光混频器的类型有关。用光电导型探测器作光混频器时，Pne=2hνB；用光伏型探测器作光混频器时，Pne=hνB。式中B为接收机带宽。工作在10.6微米的外差接收机，其极限灵敏度为Pne/B=1.87×10-20瓦/赫。 激光探测　外差探测主要应用于激光测速、跟踪等相干光雷达，以及激光通信、光谱学和辐射测量等方面。图3为CO2激光外差接收机的示意图。

　　相干光通信

　　在发送端，采用外调制方式将信号调制到光载波上进行传输。当信号光传输到达接收端时，首先与一本振光信号进行相干耦合，然后由平衡接收机进行探测。相干光通信根据本振光频率与信号光频率不等或相等，可分为外差检测和零差检测。前者光信号经光电转换后获得的是中频信号，还需二次解调才能被转换成基带信号。后者光信号经光电转换后被直接转换成基带信号，不用二次解调，但它要求本振光频率与信号光频率严格匹配，并且要求本振光与信号光的相位锁定。