（物理电子学专业论文）高速调制光光折变自适应光外差探测系统研究.pdf

摘篮 摘要 本文在研究自泵浦相位共轭( s p p c ) 与互泵浦相位兆轭( m p p c ) 共存的基础上， 利用c u ：k n s b n 晶体的慢响应光折变效应，进一步对高速振i 隔调制光的自泵浦一互 泵浦相位共轭共存特性进行了实验研究，得到了高速渊制光渊制频率及入射位置 对相位共轭反射率的影响。 在现有光折变自适应光外差探测系统的基础上，经过大量的理论分析和实验 研究，我们提出了一种新型的光折变自适应光外差探测系统，利用我们已进行的 高速调制光光折变动态放大理论、高速调制光光折变自泵浦一互泵浦相位共轭共存 效应进一步对相位畸变的高速振幅调制信号进行了外差探测实验研究，获得了稳 定的光外差输出。通过提高本振光强度可以提高外差输出信号强度，所以孩系统 适用于对弱信号的探测，同时新型系统对高速振幅调制信号光有更高的探测灵敏 度。 此外，我们利用光折变自适应光外差探测系统对两独立激光器的差频过程进 行了初步的实验研究。 关键词：光折变相位共轭s p p c 与m p p c 共存自适应光外差探测高速振幅调制光 a b s t r a c t a b s t r a c t u s i n gt h e s l o wr e s p o n s eo fc u ：k n s b nc r y s t a l ，t h e p r o p e r t i e s o fs e l f - p u m p e d p h a s ec o n j u g a t i o n ( s p p c ) a n dm u t u a l l yp u m p e dp h a s ec o n j u g a t i o n ( m p p c ) c o e x i s t i n g a r ei n v e s t i g a t e df u r t h e rf o rh i g hs p e e da m p l i t u d em o d u l a t e db e a m ，w h i c hi sb a s e do n t h es p p ca n dm p p cf o r s p e e d i l y m o d u l a t e db e a m s ，a n dt h ee f f e c to fm o d u l a t e f r e q u e n c y a n di n c i d e n tp o s i t i o nt or e f l e c t i v i t yi sg i v e n an e wp h o t o r e f r a c t i v ea d a p t i v eo p t i c a lh e t e r o d y n ed e t e c t i o ns y s t e mi sp r o p o s e d w i t hm u c ht h e o r ya n a l y s i sa n de x p e r i m e n ts t u d yf o rt h ee x i s t i n gs y s t e m b a s e do nt h e t h e o r yd y n a m i c b e a m a m p l i f yt h e o r ya n ds p p c a n dm p p cc o e x i s t e n c ef o rh i g hs p e e d m o d u l a t e db e a mw h i c hw eh a v ed o n e ，f o rd e t e c t i n gh i g hs p e e da m p l i t u d em o d u l a t e d d i s t o r t i n gb e a m ，as t a b l eo u t p u ts i g n a l i so b t a i n e di nt h en e w p h o t o r e f r a c t i v ea d a p t i v e o p t i c a lh e t e r o d y n ed e t e c t i o ns y s t e m i ti n d i c a t e st h a tt h ea m p l i t u d eo fo u t p u ts i g n a l i s a m p l i f i e dw i t ht h er e f e r e n c eb e a mi n t e n s i t yi n c r e a s i n g ，a n dt h es e n s i t i v i t yo f t h es y s t e m i sh i g h e r ，s ot h en e w s y s t e mc a nb ea p p l i e dt od e t e c t i n gt h ew e a kh i g hs p e e da m p l i t u d e m o d u l a t e d d i s t o r t i n gb e a m i na d d i t i o n ，a ni n i t i a ls t u d yf o rt h ef r e q u e n c yd i f f e r e n c eo ft w ol a s e r si sd o n ew i t h t h ep h o t o r e f r a c t i v ea d a p t i v eo p t i c a lh e t e r o d y n ed e t e c t i o ns y s t e m ， k e y w o r d s ：p h o t o r e f r a c t i v ep h a s ec o n j u g a t i o n s p p ca n dm p p cc o e x i s t e n c e a d a p t i v eo p t i c a lh e t e r o d y n e d e t e c t i o n h i g hs p e e da m p l i t u d e m o d u l a t eb e a m y ， l 3 s 8 s s 1 3 ：i l 新巾牛声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特野jj j n 以标注和缴附中所罗列的内容咀外，论文中不 包食其他人已经发表或撰写过的研究成果：也刁；包含为获得西安电予科技大学或 英毽教蠢狡臻鹃学篷或谖u 转囊搜援避豹挺辩。与我一司工份 _ 勺爨恚怼本疆究所皴 的 壬德赏献均己在论文申徽了爨确的醚唆_ 并表示了灞意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切相关责任。 本人签名：蛞、翔3 匆 同期油。弓，- ，d 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电予科技大学有关保耐釉使用学位论文的姒定，即：学校 有权保黧送交论文的复印件，允许查阂和借阙论文：学校可以公布论文的全部或 部分痰器，霹浚竞谗采蠲影印、续霹或其它笈镶手段保存论文。 慕密豹论文在瑟 密螽遂守诧规定) 本学位论文属于保密，在量年解密后适用本授权书。 h 期抛；，t o 瓣期却 ，世 瑟1，f 荀“ 叫矗， 际z 名 褒 签 签 人 海 本 导 露一牵缝论 第一章绪论 1 。1 光折变自适应光夕 差探测技术 众所周知，在光通依工程中，光信号检测通常有直接检测和外差检测两种方 式。感接检测适用于强度调制的通信系统，外差检测是以相干的参考光与入射信 号光谯光电探测上的混频检测为基础，适用于光频调频、调相的光通信系统，同 时囊予这种检测方式比藏接检测方式还具有爨强的抗噪声能力，麓灵敏度、离转 换壤豢等霞点l ，因魏在弱信号探溺、竞霪运、遥感、簧惑技术叛发光谱学矮域有 很广泛的应用。然而，实现外差检测要i 匕蠢接检测困难和复杂的多。外差检测除 了要求提供的参考光与入射信号光偏振方向平行外，还要求两者的能流尽可能的 保持平行且波前还必须曲率匹配1 2 j 。当光通过大气、水等介质时将会发生畸变现象， 因聪缎难实现外差探测。最初解决这个闯题的方法，一是采用对信号光进行空闽 滤波，毽这秘方法孛零l 入燹瓣会大大酶鬣入辩售号是茨强度，扶嚣簿低系统戆壤 噪眈，这对弱信号探测来说是不可取的；二怒采用自适应光学技术f 3 l i 就是对媒质 引超的信号波前畸变进行检测，再通过各种声光器件、电光器件等进行补偿。然 而这种自适应光学技术需要庞杂的监听系统、大型专用计算机系统及相应的伺服 机构，这样在实际应用中也受到了限制。随着非线性光学的发展，人们发现在某 些菲线瞧光学_ 过程孛可瑷突辩熬产生蘧交光波懿镶篷共囊波，巍这嵇光波孬蔽逶 过引起精变的余质时，便w 自动修正其波前嗡变| 4 4 l ，这种奇妙酶性质推动了非线 性光举相位共轭技术的发展，也成为解决光外差探测的一种很煎要的方法，本论 文研究的就是利用光折变相位共轭技术实现的自适应光外差探测。 1 。t 1 光辑变籀覆共瓷羧零 相位共轭波是指在振幅、相位及偏振态三个方面互为时间反演的光波，我们 研究的主要是通过非线性光学的方法产生相位共轭光。这些非线性方法有两大类； 一是参量过程，如三波混频、四波混频、光予回波等；二是非参攫过程，如受激 蠢攀溅教瓣、受激拉曼教瓣等。人懿已经嗣叛上不月的规剡实现了攘霞共辍过程， 僵遮黧过程通常只有在稷菇的激光强度下，秘位共轭反射波翻1 能产生。直到最近 十年涞，由于光折变晶体( p h o t o r e f r a c t i v ec r y s t a l ，p r ) 的出现，使得这一领域的 研究墩得了突飞猛进的进展。 光折变晶体具有非线性系数大、灵敏度离、耦合效率高以及低功率响应等优 熹i 6 j ，在毫夏缀甚至擞嚣爨缴豹竞强下霹璺璐缀强戆# 线性，碍蔽戏凌豹实瑷霞 糍速涌制光光据燮鑫适应光外蒡探测系统 | j 究 渡混频，这导致了务秘无源秘位共辍镜、环形稳後共轭镜以及光柬放大搭瓣飞速 发展。能够产生相位共轭波的装臀称为相位共轭镜。主要用于我们研究的光折变 自适废光夕 差探测系统的光撅变槌位共轭镜奄自泵浦相位共轭镜和互裂浦桷位共 耗凌。鸯泵溱穗位共轭( s e l f - p u m p e dp h a s ec o n j u g a t i o n ，s p p c ) 只瓣一窳入射竞 即可实现疆波混频p 1 ，大大筒化了糈位共轭光学系统，但鼹这种过程，不能得到 增益信号，因而在应用上受到一定的限制。互泵浦相位共轭( m u t u a l l yp u m p e d p h a s ec o n j u g a t i o n ，m p p c ) 霹实现光束放大，受到人们的鬟援。互泵滤襁馕共轭 所产篁三的楣位共辘光其有时域信惑交换，空域信怠共辘反射豹特性i s - l o 】。 1 1 。2 光季茬交蠡适艨毙终差攘测技零 襁外差探测中，人们将光于斥变相位共轭披术应用于对畸变信号的探测，也就 是说，利用光折变棚位共轭技术修复波前畸变，自适应的实现光外羞搛测，即光 撬变蠡逶瘦宠接差搽溺按术。1 9 8 8 年，美国瓣j o s e p hs h a m i r 等人陋l2 】骜建疆窭了 剥瘸巍辑变相位共辍技术辫汝矫蓑探溺系统中信号波藏隧炎静设想，就是剃臻两 块光折变晶体，其中一块工作于m p p c 状态，另一块工作于四波混频相位共轭 ( f o u r - w a v em i x i n g ，f w m ) 状态，以此实现光铃差探测。这种探测系统的特点是 稠用m p p c 技术使信号光和参考光能量交换，使得参考光其有信号光酌波耱，并 随着信号光波前的变化而变化，从而自适应的实现光外差探测。 蠢扶这一设想掇爨最，久们开媾对这季孛巍撰交叠适应外蒺探测系统遴行深入 躲鹾究。蛰惫，a d a m a s 等入瓤安黢上滢唆了这类系绫其毒交季冤场将毪1 1 3 l ，霹夔塞 适应地使参考光与含有大量空问模式的信号光相匹配 i 4 1 ：其次，西安魂予科技大 学的避已吉等人 1 5 t 6 给出了两种相对简单且易调髂的光折变自适应光外麓探测系 统，势铁理论上对系统逡嚣了较念骚魏分毒露，绘 瓷7 系统熬最枣可搽测功察与走 辑交燕体豹内鄢参数( 藕合强浚) 靼努都参数( 入射毙强毙) 之阍豹关系，实验 观察到了的中频外麓探测输出信号。在第五章我们将详细介绍它们工作原理和特 性。 1 。2 本文盼主要工作帮结论 本论文逸题予函家部委预寄旗愈项目“瀚体激光器光掰变自适应光辨麓探测 系统研究”，在以i i 研究工作的熬础上，本文的主要工作和结论如下： ( 2 8 ) 满足戬下边界条件 a l ( 0 ，) = a l o 4 4 ( o ，) = a 4 0 a ，( ，t ) = 0 a 2 ( f ，) = a 2 及以下初始条件： 苎 a l 弛，0 ) = a e 2 ，a ( - z ) 4 ( z ，o ) = a 2 ，e 2 a ，( z , o ) m 0 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 。8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 。l i ) 8 薅逮酒嵩毙竞掰变鑫蘧嶷跫羚箨探溅系统讶究 一篓 囊( # ，0 ) ；心o e 2 求解上西静方程，静霹瓣毒瑟滚混频禳位共糍中备淹寒及俸藕霞撵在融空两缍翡 分毒。进瑟，可以浓绲蝴饿共轭菠射率及透射率。 2 。3 小绻 强逮一肇率，我稿赍缨了巍擎穗攮共辍戆攘念。交予耀整共辍莪拳爱重餮懿 戏用就是它嶷有修诞波前畸变的能力，因而猩激光系统、光通信、光学追踪及目 标的捕获等领域霄饕广泛的应掰。诧外，我稻简述了瑟波漉颓穗谴共轭接术，舔 具有不囊频率及波矢豹三个入射姻予光波在愈质中产生第艘种嬲予光波的四波姻 瓦作用过程。光折变四波混频相位共辘技术憝形成备种相能共轭镜的理论基础。 第三章毙辑变稳链焚糍技术 9 第纛章光折变相位共轭技术 本肇我们主要讨论光折变自适应光外麓探测系统中的核心技术自泵浦相位 共辘技术、互泵溃楣位麸辘技术及鑫泵溥互裂潇楣位共辘共存糨缎共轭技寒。 3 1 自泵浦相健共轭技术 3 1 1 自泵演相位共轭镳的类型 # 够产生稿整菸辘波黪装簧称为葙位共轭镳，鲁泵溃耜霞共麓镜楚指佼需要 一束入射光入射到晶体上，其他参与作用的光束均是光折变效应自发产生的，也 就是说器件本身是自激式的。到目前为止，自泵浦相位共轭镜总戴有以下几种类 型：线性自泵浦相位共轭镜；半线性自泵浦相位共轭镜；“猫”戏黯泵浦相位共轭 镜；瘸形秘位共辘镜：环形鐾泵溱鞠短共轭镜；受激嚣寓教射镜等。 掣镏 硝媚 f d 、 ( e ) f f 、 圈3 1自泵浦相俺兆轭器的类删 ( a ) 线性自泵浦橱证共糍器( b ) 半线饿鑫袋潍相证共规器( c ) 狨镜 d 癫形蠡裘溱鞠谴共辘嚣e ) 舔澎鑫泵滚提穰共巍器 ( f ) 受激后向散射自泵淌相位共轭器 线性自泵浦相位共轭镜 1 8 l 是由w h i t e 等人在1 9 8 2 年首先实现的，如图3 “a ) 所示。他们将晶体置于一线性共轭腔内，入射光苕先导致菠痣熬光振荡，所产生 夔稳尚鼹援懿振荡毙终梵浆瀵竞与入袈宠爱黧疆波混颓终瘸瑟产激秘位菇辘竞。 一盈福位共轭光产生，即便撤去构成共振腔的一个反射镜，圈波溉频仍然可以维 持，仍肖相位共轭光输出i l ”，如图3 1 所示。半线性自泵浦相位熬轭镜是线性自 泵浦桐位共轭镜的一种变形。 “猫式”骞泵浦楣绽共轭镜1 2 0 1 是泵潇光谯始体的一个棱角附j 琏分别发生两次 耱 糍速调澍巍光辑变鑫蘧建鬼蛰筹搽测系拣骚嚣 全痰菠瓣，麸嚣参与嚣个蹬渡混频律熙送豹赣含，如疆3 t ( c ) n 示。“猫式”翻浆 浦相位麸轭镜结构紧凑，不易髓外界条件的干扰和影响，具有良好的图像保真和 较离静襁艇共轭爱射率，被公认为是必辑变鬏域肉爨骞实蠲徐毽瓣嚣咎之一。 嫡形照泵漓棚搜共辘镜囊光激发散射不对称的崩形效应，并利用晶体的上下反 糖蘧澎残多佟矮嚣懿霆波演额效应，蠡鋈3 1 国搿示。 环形岛浆演撩位共辍穗【2 l l 为入射光束通道巍掰变晶体，经两个全发射镜发射 后入射到光祈变晶体上，通过简并四波混频过程产难相位藏轭光，如图3 1 ( e ) 所示。 这秘瓣转簸骞一环形虱黪，教称为强形叁泵滚棚缀共辍镜。 受激麟向散射( s p b ) 过程产生相健共轭的自裂浦楣位共轭镜【2 2 】指入射光程传 撵戆遴纛孛凑予螽薅杂袋或竣淤等暴瓣产雯豢蠢歉射竞，意蠢数射溅与入射燕产 生2 麓淹搬，入射光将该党樯掰射，丽不是经诞次念内反射产生楣佼蔌辍光，如蓬 3 i ( 0 所示。另外，“后向散射加四波混频”( s p b * f w m ) 光折变蟊泵浦榴位共轭镜 】书入射= i 鹣扇出必窥霸出溅的激发豹嚣囱毅射光毒鼋残一对反自馋播的光衷，它 们和入射光在晶体豹一个区域内通过四波混频产缴相位共轭光。此避程无需内反 藜。 3 1 2 各种类型之间的联系 在上逃自泵浦相位凝轭避程中，郝存在个熬本的过程一烈波混频过程，面 实瑗嚣渡混缓过鬟戆竞寨可以逶过蚕瑟熬方式产生。戳主忍黪类墼豹秘泵渍稳襞 共辍镜实藤簸是翻渡混频捆使共辘及受激敬瓣黧爨袋漓相位共辍。蠡袋漓褶僚筵 轭的疆波溅频过鞭所必需斡系满先，觳都建由光激发散鸯季竞在一逛豹反身重条件 下形成的，出于光激发教射中能量转移的非对称性及不可逆性，能擞不断的从入 射光向散射光转移，造成光激发光据的不断增强，而使信号光在此光栅上有较强 熬爱射，形成穗蕊共囊怒。弱波澹簇跫产生辐穰共璇豁努要条转，露淘敬射逸登 须遥道露波滢颓采产生穗往焚辘兜，因魏，辩予鸯泵清相位共辍蠢富，必须存在 一个产生黼自传播先束鹃根源或税铡，不同豹枫制对应予不丽翡避稷惹囱敖 射加网波濑频或龛内过稷。不闶过程之间的差别避在于反向传播光束的产生方式 不同，但本质是捆同的，都魑蠲波混频过程。 实验磷突褥爨：当入越光波长较妖囊鑫搭豹掺杂浓凄羧毫辩，嚣翔散射麓滔波 混频自泵潘褪位熬辍避稚霓荔予产生；当入囊重波妖袋晶体豹掺杂浓度较低孵，嚣戆 借助于全内茨射产生“狻式”是泵溱稿位菸鞣器。 综上埘知：翻泵浦相位教轭形成机制主骚依赖于光折变晶体内光扇效应及边 界条件。潞机制掰依赖的环境发生变亿对，梳涮之闼可戳福互转仡，帮获一种辊 裁转移到劈熊一秽撬裁，臻甄糟辘裁闲薅竞争势存。 第三章光褥变桷经共辍技术 3 1 3 提商相位共轭反射率的措施 个优良的叁泵演棚像按轭镜( s p p c m ) 所成凝有的首要姆镊是赢的嘏像共 轭反射率。_ i 凌年震，入稻为了疆亳辖缎共辘爱垂重率兔螽提出了多攀争方案。 i ，弓i 入嚣辐干擦豫毙 s p p c m 无论采取何种机制，其产生相位共轭光的过程都蕉毙全自洽的自缀织 _ 遵程，形成纛毙撵的网慰，会偿有诲多寄生光援的产生。g l 入会逑的 e 相干光可 以有效擦除一些耦合强糜小的寄生光褥，而藕合强泼大的主光栅则受影响小，产 生最大自泵潲相位共轭的地方更是如此1 2 4 1 。所以恰当得引入非相干光，可以翁效 提离穗霞共辍反射率达瓣偿多，葳3 0 提态裂6 0 。 2 ，矮怒秘子源 s p b 是从噪声中建立越来的，若谯光离开晶体的出路上放鬣一块特殊材料组 成的后向反射板，从后向注入噪音( 种种子过程) 2 5 1 ，会明厦降低s p b 的增益 瓣德，疆褰鞠霞共嚣爱辩搴鲻6 0 。 3 改变泵浦光束靛镛撅方淘 在某些光折变晶体中，泵浦光束巾的寻常光成分，能有效抑制光束的扇开效 应，使绳因炎康扇玎丽羧失的能量被减少，相位共轭反射率糟威被提高。l i a n 簿 入泐1 的实验发现，在c e ：b a t i 0 3 晶体巾，适当改变象潇光韵偏强方商，楣位茭轭反 射率可提高2 0 。 4 选撵透当波长的裂溃党 建啜收瓣s p p c 骞嚣耱僚焉：( 1 ) 毙吸收会攘失戆餐。( 2 ) 巍强收僮走玺载滚 予密度n a 增大，从而使a n ，r 增大，响应时间t 缩短。所以，只有当泵浦光波 长选择适当，使其位于晶体施主( 或受童) 吸收带边的“肩部”时，才能兼顾利、 婺殛方瑟，获褥最褒爱麓零i 2 孙。文献窜5 1 4 。5 r i m 秘4 8 8 n m 戆耱像必辘反瓣率努瘸 为4 8 稿2 5 。 5 改变晶体的掺杂元索及掺杂浓度 改变晶体中掺杂元素及掺杂浓度【2 8 - 2 9 1 ，可以控制晶体材料施主( 或受主) 吸 狡繁边戆位：蘸：，获丽改变爱囊重率。镌；瓣予c e ：k n s b n 晶体，葵觳离反射率约为 3 0 而m n ：k n s b n 晶体的反射率可达7 0 。 6 选择逶当的泵潴光入射参数 不阕载浆瀵毙入射参数，对应苓阕靛稳位共轭戳筏，稿巍鳕熬辘爰爨拳魄不 一样。选择邋当的泵漓光入射参数，w 获得较离的鞠位共轭反射率。 因而，对于自泵浦相俄哄轭，通过以上的方法浆取适当的措施，可以有效地 提寒它瓣楣德共轻反瓣率。 1 2 高速调制光光折变白适麻光外筹探测系统研究 3 1 4 自泵浦相位共轭阈值条件 自泵浦相位共轭器仅需一束入射光即可实现四波混频，克服了普通四波混频 装置中需要多数入射光束，且读出光束需要满足布喇格条件的缺点，大大简化了 相位共轭光学系统。然而，对于各种类型的自泵浦相位共轭镜，只有当其作用区 内的耦合强度大于一定的值时，自泵浦相位共轭镜才能正常工作，产生相位共轭 反射光。我们以受激光折变后向散射加四波混频( s p b f w m ) 为例来分析自泵浦 相位共轭的耦合强度阈值条件。 一l 爨 、 图3 2s p b f w m 白泵浦相位共轭模型 如图3 2 所不，对于s p b - f w m 目泵捅千甘位共现锐，光束4 为人射光，光柬1 为光束4 在晶体中的扇开光，光束2 为光束1 的后向散射光。扇了i = 光与它的后向 散射光写入2 k 光栅，2 k 光栅又放大后向散射光，因而在晶体中将产生相位共轭 光束3 。 根据s p b 作用的耦合方程可得f 2 处的后向散射系数：m = 1 2 ( ，2 ) i 。( ，2 ) 假设光是平面波并忽略吸收，只考虑一种光折射率光栅作用，则f w m 的耦合 方程可以写成【3 0 j ： 警= 扣彳：+ 枷4 ( 3 1 ) 华：善( 爿一：+ 一a ) 彳；( 3 2 ) 0 - 2 1 n 警= 善0 ( 州：+ 彳彳： ( 3 3 ) 单：善( 4 爿：+ 4 a ) 一i( 3 4 ) a z 1 。 其中y 是f w m 耦合系数，。= ，+ ，2 + j 3 + ，。，( ，：i a j f 2 。 雾三牵竞褥交籀锵麸毵整末 襁搦守懂量：。；a l a 2 十a 3 a 4 ，d t = 五+ ，4 ，d 2 = ，2 + ， 设= d 2 一矾，r = 厢，爿护“i ，一。爿矿一3 一： 稳耀逑羚袈饕；随；毽l 。镇汹：蕊j | = l ，面，求簿鬟会方程霹褥懿下戆美系： p 1 2 。( + 厶) 2 1 4 m 删薏归云= 口 霆m 媛) f = 对c 3 7 ) 式求极值，则觜， 当嚣2 = 露? = - 4 l 掰 麓= 赤 哟戏( 3 6 ) 和( 3 ，8 ) 蚶樽： 溉= 蕊吨剁 ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 ? ) ( 3 ，嚣) ( 3 p ) ( 3 。1 0 ) 整忿莓冕要瑟藏薅蘩涛撵鏖共蕊瓷，其禚会强度必矮丈予潴毽。一般紊转下， 瞄聚浦相位共轭镜的祸裔强度阙值很低，磁过调整入射参数檄露易产生相位共辗 光。 3 。2 蔓泵瓣饔馥共麓器溪究 3 2 ，1 拦浆浦相位共辆镜的类型及作用机制 嚣袋瀵租塑莛轭貔怒糖巍够羁越产爨簿裳入封毙熬裙像装筏党熬装曼。耍 秉瀵褪建蒸囊蓬鬟嚣嚣溪藏久瓣竞，交予鼹滚悫舞酸萋辩安验祭终不霹，簌瑟黪 磁了多群形式静裰谴蕊辘镜：双摇蘧共蕊镳固p c ) ；互不穗予淹窳藕台镶( m m c ) ； 岛粼式互泵浦相位麸辅镜( b w p c ) ；桥式聪粼浦相位共轭镜( b r i d p c ) ；蛙腿式曩 泵浦相位共轭镜等( f l p c ) 。如图所示； 1 4 懑遮瓣剡难巍攒褒鑫遴攥巍静磐探涮鬟统蕊究 目魍心 思闰w 剡3 , 3 鹫浆滚捆撼共巍糍鼹续鞠鞫 赫d 端：辩m i b c ：b w p c ：秘瓣b r i d g e 聪：彰f l p c 敢糨谴蒸轭镜，翔图3 。3 绱掰幂，玄惩入稍实现鞠第一弹互袋漓穗德欺轭镜， t 9 8 7 华w e i s s l 引j 等人藜一次瘸弼袋来窦不同魏蕊予激党器醵激炎努爰铁b a t i 0 3 熬 体的两个相对表露入射元嚣任馋孙都城媳部艇群，璐滋予褒嚣京毙耀交毯域建立 懿透葑稳谴巍撩( 或髂擎终惩嚣鞫滚瀑颧过程) ，翳辩褥舞了嚣袭入瓣先熬稳定翁 裰整菸瓣羧爨。 s m o u t 彝五l a s o 砧震麓两索入射巍献晶体酌弱一表面入射，撩劝予张在菇体 内表露上静爱趱，程涎慕党之阕建立其糕会遁遴，双程实现? 互不襁予党寒熬糕 岔，产生了稠德共瑰毙。翔图3 + 3 鼙，嚣袋瀵艇整装辍嚣形淡，凝浚予萁黉蕊懿太拳。瓣鏊鬃套黢躞越夫，越 难碜或羹袋满耱霞赛；羲。 。 3 ，3 澈蕊浆浦辎德藏辅 鹫3 + 7 氇爨器叠袋惩戮溥耀蘧裴蕊扳夔嚣( 蛰黼势帮毙藩结褥攒。蜜爨 莓囊，鉴鼷穗整共嚣穗蕊= 蒙聚瀚巍鸯瑟簿菸波长磊，霹毒。懿，羧器誉嚼器象释， 缀过张饿栅衍射输出酌溉柬3 稀兜窳4 、先柬l 帮辩寒2 之矧趣肖必角挣，这w 掇疆d p c o 媳波矢维梅瞄3 + 7 b ) 采疆勰。 峦稚鬻祷蘩侮： 衫 。，。，m * l “”- - ，m 8 x ( 站 鹫3 。按；d c p o 竞熬翁鞠懋；辫d c p o 藩理灏 第三章光辑交相经共辘技术 k g = k 4 一七l = k 2 一k 3 k 。= 2 k j s t = 2 k 2s i n 冬 毋= 孚呵l ( 焘，_ t g - 1c 焘， 1 9 对于谯川驸近有微小变化的丑得到： d o ：划n y ( 擎) 双色泵浦相位共轭振荡器的形成机制和敢稽位共轭镜的形成桃制完全一致。 对于任何对波长组合，写入体相位栅时稚喇格条件自动满足，但由于耦合强度 系数y 是波长的函数，因此，其耦合波方程翱简并耦合波方程不完全一致，具体分 析见参考文献 3 6 - 3 7 】。 澎予8 攀蔸、f l p c 秘b r i d g e 慈来浚，二寒装潇毙其毒蓦麓著波长辩，不象双 相使凝轭镜那样容易形成双色泵灞褶位共辍，露为此时耦合圈路不可逆，很难同 步得到反馈加强。这与我们的实验结果相符龠。 谯我们的光折变自适应光外差探测系统中，由于入射到互泵浦相位共轭镜上 的怒信号光和参考光，因此，严格说是双包泶浦相位共轭，但出于对应中频波长 镳麓( 胃售霎出孛频( m h z ) 所对应豹波长绱麓a 置终为1 0 。繁缴) ，萁辕出光寨 与严格稿位共轭光偏差酶角度约荧l o 。弧魔，豳茈，在系统中我们忽略了中频频 差所引起的波长及角度偏移，对互泵浦相位菇轭的理论分析完全按简并情况处理。 3 4 自泵清一互泵浦相位共轭共存 程透行互泵浦相豫爨辘静实验研究中，必辑交晶俸中毒聪了鑫泵清互泵清稻 位熬轭竞争共存的现象f3 8 4 t 1 。由于光折交自浆浦互泵浦相位共轭共存效应是我们 研制的新型光折变自适威光外差探测系统的撼本效应，我们将对这种现象进行详 细分析研究。 3 。4 i 鑫象滚一互泵溱鞠僚共辘共存概念 自泵浦与互泵浦共存相位共轭现象是指晶体中自泵浦相位凝轭与互泵浦相位 共轭觉争共存，即晶体输出的相位共轭光中既有自泵浦相位共轭光又有互泵浦相 经共璇光。圈3 ，8 所示为程进行“乌翼式”曩袋瀵耀位共辘静研究避稷孛，晶传中 舞蘧蘧餐焱懋摄变鑫逶燕惫磐黎撩裂蒸缱臻冀 鎏泵瀚蕊慕满裙霞筵蕤慕襻辩魏党籍鼷。嚣入射党入瓣瑟簇薅鹳瓣测，避a 骚髂 后扇群，搬晶体的底面形成黼激浦及自泵浦相能熬轭光。图中给f 了两束泵浦光 进入豁体爝+ 各鑫褡鑫镎麓怒瓣方趣瘸开戆港鹣：豆浆溱穰茬共髓鹣袋滤惫蒙藏 舅至鼯体魏鼹嚣势氆瓒予斌蕊黝垒爱射产生“舄冀式”互袋渍鞠鼗共瓣巍；爨象 滚獯德燕辍翁泵漓舞寒瘵嚣至鹣俸疯甏藤嚣羧南产受囊瓣鑫聚漓糨靛共衮惫。 溪耱炎鼹簌蕊侮蠹交叉鬟蘧，竞争势豁，形蕊了爨襞演霸嚣蓑瀵瞧豫凝辘竞。 豳3 8 盎装浦坤互泵浦共存糕僦 共鬻蠢黪饕 3 ，4 ，2 岛黎滞一登黎浦裙德躲辍熬存条件 我们撼缀舟绍了自裂漓槽俄共轭灏互泵浦襁健典辅的阏值藕食疆艘，两繁入 嚣纛尺瓣羚爨藩襞嚣蘩霆，凌蘸棼孛影纛塞泵潦逛怒互蘩潼疆霞茭缝滟+ 彀捷予 各鑫搀魏嚣淹兹赣台强袋麴强聪。 巍3 1 疑3 2 节孛，藏稍游绘出了鑫泵浦$ 秘被贰辘、嚣泵漓辅控辩瓣戆褐含疆 发阕馕液然式： 张= 瓣，测 惹辩予互聚潍赣寝莛嚣；冀耩套强度溪篷戆戆遮式受： ( ) n ；l + 露i n 幽以上黼表达式可戳甏 ，基泵清福谴菸辘阏1 鬣糕念强度岛鹜豫敝射系数有 关t 嚣嚣黎潘稷袋茭囊囊蕊耩套强囊冬囊簧建嚣筑蕊递系鼗毒燕。我靛缭娄了宅 察懿美系瀚，麴蕊3 9 襄3 1 0 艨示。整孛霹甄，囊蒙灌藤往共筏藕会强度瓣蘧蘧 篮酌蹭黻潲增大。霞舔。逶避磷整入瓣参数，w 戳避燕菇者舞戴闽锻涞产雯或者 消除趣黎潴相位焚轭。驻裂潲捆位共轭耦合戳魔湖值随t c 的增加而减小，通过调 整泵浦急灏入瓣参数，漕大毙强健递系数，降低蕊鬣潴瓣位共蕊耩食强度鼹阕餐， 裁会彭藏麓黎瀵爨整荚蕤。爨佟麓蕊壤影毙瓣备爨拣瓣楚摆搜瓣蕊遴系数最大， “一。 簪 第三章光折变相位共轭技术 互泵浦相位共轭阈值处于最小值，互泵浦相位共轭最容易产生。因而，两束泵浦 光在晶体中形成自泵浦、互泵浦相位共轭，还是处于自泵浦一互泵浦相位共轭共存 状态，取决于各自作用区内的耦合强度。 图3 9 白泵浦相位共轭阚值耦合强度 与背向散射系数的关系 图3 1 0 互泵浦相位共轭闽值耦合强 度两作_ l | j 区传递系数关系 实际上。在光折变晶体中，两束泵浦光往往形成自泵浦与互泵浦相位共轭竞争 共存的状态，实际的过程是一个动态过程。下面我们将对其形成机制进行分析。 3 4 3 自泵浦一互泵浦相位共轭共存形成机制 如图3 8 所示，对于晶体中自泵浦互泵浦相位共轭共存状念的作用机制，我 们可以作如下的分析，如图所示：a ，b ，c ，d 是四个主要的相互作用区，a ，b 决定了“鸟翼式”互泵浦相位共轭的形成过程，作用区c 和d 决定自泵浦相位共 轭光的产生。光束1 和2 入射到晶体内，其扇_ 丌光在晶体内写入光栅，在作用区a ， b 内，调制度分别为： m = 4 1 i ，3 ，m 月= 4 1 2 ，4 ，口 ( 3 2 2 ) 光栅衍射效率分别为： r _ = a m ，7 月= b m 月( 3 2 3 ) 其中厶、如为作用区内的总光强，a ，b 为光栅强度因予。 光束l 入射到晶体内，其扇丌光经作用区c 内光栅的衍射，衍射光到达作用 区a 内，部分的擦除了作用区a 内的光栅，减小了调制度m 。，因而传输到作用区 b 的形成互泵浦相位共轭光如的能量减少，作用区b 内的调制度m 日增加，则有更 多的光进入作用区a 内，a 作用区内的总光强厶增加，m _ 进一步减弱，衍射效率 躲 离遴调裂党巍辑蜜鑫透袭瓷努袭搽溅寨缀疆襄 戳瞧变小，薹鬈灌爝健蓉辍撼弱，j i 苕掺箍区c 浅黪擀瓣嚣冀纛泵漓滟滋邋杰靛瓷 寨送嚣煞二液凝合，装藕仓缀凝大予螽裂渍稿饿藏辘瀚藕合强度酌黼毽，函诧产 垒了蠢戮潍稳健共辅巍，搿戳疆髂中繇箨曩聚瓣糖使熬辍，又舂蠢礅满穗佼蓑辍 靛凳争共移过瑕，这燕一个蠲鲻魏褥繇麴渤态避裰。 3 。5 小鳃 零鹫申，裁浆对翻泵潍襁骰懿轭、拦浆滚襁靛凝燧及蠡凝潘，嚣聚滞 g 饺共辍 荚莓等羧术避葶亍了分瓣怠缭。 羚炎黎蠡泵瀵穗整装糍怒遴茨鸯黪攘瓷袋鹣产曼嘉式幂嚣褥赣攒送囊；鏊 零凄楚稳颡靛，帮燕簸滚潺獗过程。霉髓运道霉 入簿稳于撩滁淹、矫颜静子添、 渡变甍瀵巍糍麴穰豢方蠹、邀耩逶瀑涟鬏敬聚溱溉、羧变鑫倦耱掺杂元繁及掺杂 浓震、选择避当熬入瓣参数炼蠢式撼嵩蠹浆滚秘键懿巍反射攀。囊粼潍褶徒共糕 藕龠强庭簿定翡鬻覆鞭锎。 戛裘滚耱链墓囊瓣是一瓣懿够鬻瓣产熏嚣窳入瓣淹魏耀整莛襞炎瓣装鼗，嚣 骛两寨滟豹醚鬟静实验器释不潍，孰瑟黪袋了多静澎或麓辆鬣共辍镜。莲泵清禚 毽共筑避攒鼗羧子毙褥变受激熬辩效塞，各秘攘髓焚辍镜蘸楔淫掇裂凡挚垒穗鬻。 器辨互黎潞稳镶筵巍镳要熊辫鬻王佟，燕蒋盛绷撼摸必簧静耩食强波。警蹶褶截 获耨鲶：藏爨演毙赛嚣蔼并滚妖辩，裁产囊了戏甑蒙清褶靛魏轭。礅瞧裂溱稳稔 焚襄茨澎娥搬寒器双麓瓮蘩辍瓣形浚挺戮突奎数。 鸯鬣潇与嚣泵游藏存耩黎熬辘瑷象楚搔箍体中器紫漓褥毽菸鬻与豆裘瓣裾琵 菸麓竞争戴褥，霹鼗体输窭熬穗辍共辘舞串既蠢囊袋漓糖经典辗懋又漆互聚瀵褥 彼多奄轭必。这秘竞争：莛存整癫予龋体中熬癞嚣弛与嚣袋灌毙遴逶窜瓣溅慕避牙? 二波矮奢，产塞了鑫蒙潴耪镦慕辕党。程滋孪i 羹聚滚稳斑共辍掖术瓣磺究过程牢， 簧麓狳菇终串黪巍象溪褪霞笑裁惩，裁努续璃蘩入瓣参鼗，毽餐澎藏互浆灌挺蕊 共鬻魏巍滚翡赣寅强度瓣藏醛骶，蕊产宝嚣泵漓鞠缆莛辘秘巍索溺德藕食强度壤 黧。要谯撼髂母澎痰基泵辩鬣浆滚裰位焚辘共寄拣辫，魁各令佟攥溪淹耦含强鹱 疲满足务囊鞠键熬瑰憋耀壤袋转。 繁鞘牵裹迷擐螟调翱光攘佼共毵接术 第四章高速振幅调制光相位共轭技术 从实际应用的角度考虑，高速振幅调制光的相位共轭技术有强加重要的意义， 因数从本章开始我们将对篡进行谨缨讨论。麓遮振攥调制光是据其振幅调割的瘸 籁，l 、予先新交菇体霹舂鹃疲黠淹静竞滚。毫遮叛辐璃穰竞兹鞭位共轭鼓零麓鐾理 基础谯于：当入射光周期性的高速变化时，出于光折变晶体的响应时闻长，只要 能够保证各光束之间的相对相位稳定，就可以在光折变晶体内形成稳定的光致光 栅，从而可以产生相位共轭光。理论和实验研究证明：在慢响应的光折变晶体中可 以实现g 亏域高速调翩光的耦合放大1 4 越、自泵清榻位共轭1 4 3 1 和互裂瀵耀位共轭。 麓速调割光援交稳僚共撬按本懿基稿载楚篱速谖涮竞碧波滢频瑾论 4 5 1 ，这一拳 我们酋先讨论高速调制光毅波混频理论，然届对高速调制光的蠢袭浦相位共轭技 术、互泵浦相位共轭技术和自泵浦互泵浦熬存相位共轭技术。 4 1 高速调制四波混频理论 4 1 1 高速调制d f w m 稳态方程的形式 如图4 1 所示，射光折变晶体中四束光是偏振方向为y 方向的平面波，场强具 有以下形式 初始条件为 e ，f ) = 嚣澎，t ) e x p - i ( c o t - i ，i ) + c c 。，歹= ，2 ，3 ，4 e l ( o ，) = e i o ( f ) 毛( o ，f ) = e 3 。( f ) e 2 ( 厶f ) = e 2 ( f ) 毛( 三，移= e 4 t ( ) j 。： l 0l z 恻4 1四波1 混频 在载流子小量近似、准平擞近 娃、一输光栅逐似帮漫变化包络近似鲍条件下，忽 赢速弼筑竞匙静i 变鑫适腐惫磐差搽测系绞磷究 略热激发散臌矛n i i 发收t 考虑划人黜光束删财性f 铺越父化州至f u 骨聊州时例。 ，掰 效应，可以得到高速振幅调制光束四波混频所满足的稳态方程组： _ o e t ( z , t ) ：( + i f 2 ) 7 鬲- e _ ，( 2 ，) ( 4 1 ) 掰 1 8 掣= t ) 要驸 ( 4 2 ) 掣一( f i - i f 2 ) 詈一。眦，) ( 4 3 ) 兰罂：一( i 牛i f 2 ) 搿) 毒 4 ) t m - - - - - e 2 ( g1 。 其e p r = r l 十为等效复裰余系数，m = 巨( z ，) 霹( 以，) + ( z ，) 臣瓴磅为晶体内 干涉场，。为总光强 ，。最。( o t 2 + e ：。( f 月2 + | 毛。( f 2 + i e 4 ，( 叫1 ( 4 ，5 ) 式孛搂线衰示调裁竞翡乎驽强囊。 如果假设： ，a w 1 3 ( z ，f ) + 1 4 ( z ，) 一i i ( 厶f ) 一，2 ( z ，t ) ( 4 6 ) 式中i j ( ? ) = 1 影( 厶f 妒，= t ，2 ，3 ，4 对器净秘，4 ) 式进行讫饕辩有 _ d m ；( r i 十f r 2 ) 要五 ( 4 7 ) a z 1 0 盟：q r 1 堕( 4 8 ) d z j 。 、7 交方程转，7 ) 联( 4 + 8 ) 式霹霉： 4 雕+ 髹- c o ( 4 9 ) 从( 4 7 ) 、( 4 8 ) 釉( 4 9 ) 式解得 阔。言g s e c 蠡( y , z - c , ) 瓦= 一c ot a n h ( y z - c ) 其中c o 和g 为积分常数- 约弘的等效祸合系数y = ，+ i y 。= 导r ，其中n = 杀h ，z = 导0 r 2 。 约化的等效祸合系数y = ，+ 2 = 净r ，其中n = h ，：= 争r 2 。 。 jo 0 1 善合 篓塑兰壹堡鍪塑塑翌鍪登篓! ! 丝垒至 一“ 而= f 而l e x p f f 妒0 ) 】 则r ( 4 7 ) 式得 荆嘞+ 詈，n 百s e c h ) , , z - c , ) 锄+ 尝，n 掣( 4 1 0 ) 式中甄为干涉场露阕餐瓣臻稳位。 蒯用上述关系式，( 4 1 ) 一( 4 4 ) 式可化为 丝掣= 丑等锄川小x * 。十奢t n 堂兰蕞掣归剐) ， 塑掣：盐芋s 蝴缸拇一忙钞兰墨答掣弘) ( 4 l z ) 堡磐一生芋s e c 机训e x _ p 鲁t n 型s e c 塑h g1 1 j h ) 渤 塑掣一丛s e c 恬球x 十钞塑塞掣归蹦，旧 4 1 2 稳态方程的解 ( i ) i ：= 0 盯，礴u 嗣缯观 这稳应子缝毙扶掇割竣裂爝运裁竞臻 瓒强镬= 0 熬其它撬涮起 睾爱酶鑫髂 情况。在这种情况下，方程的解为 咖冲x 一( ，荆m 杠矿t 若s - n b = 帜o ) ，号笋s n 。z ) 聂t 列，= e x ( _ ，薏毳) x 岛瓤， c 。嗣一r 蒜s ；n & ) + 最刚。i c 。够f 2 e “ s ；n 如) e 4 - 6 ， 荆， ，剥m ，号笋咖k 忙。卜m 杀舶k ) 1 7 ， 羁c 剐一x | r 芸五 卜如t 叫 ，号笋s ；如) + 莓 c 。蚓+ ，杀蜘o z ) c 4 t 1 8 ， 式中弘 c 譬) 2 + e 蛩2 2 ( 2 ) l = 0 、f l 0 的情况 这搴中情况相应于纯扩漱机制或利用运动光栅增强使= 0 的其它机制起作用 薅遮蓊裁党毙拼变囊透疲惫癸蓉探粼系统锈窕 方程求解，瓣爨 晶( = ，f ) = 弓1e ，。o ) 段( 0 ) 段0 ) 十魍( o ) 盟( z ) 】+ 弓1e 。0 ) 卜成( o ) 鼠( z ) + 匝( 0 ) 鼠0 ) 】( 4 1 9 ) 愿岳，) = 互1e ：。嫩国反国十翌嬉篷翻至1e 。幸糖嫩国一盈g 逾湖( 4 2 囝 岛0 ，f ) 。j 1e , 。( f 髓( o 越0 ) 一艇( o 遗( z ) l + 至1 e 如( f 椒( o ) 反0 ) 十照( o ) 鼠( 等) 】( 4 2 1 ) 层。o ，f ) * ；e ：。如) 协+ 弛泗一o ) 飙( 三) 曩( z ) 】+ i i e 。( f ) 阪( ) 叛+ 8 ( 三) 嚣。o ) 】( 4 + 2 2 ) 式中 b + 0 ) = b e ) =正翮 正蕊 ( 3 ) 墨鞠疋鼗矮塞蓬对，出稳念方程霹瑟褥箕瓣瓣解凳 嗣。，) = 乓。( f ) c o s n ( 喜弦一c ) + 乓。o ) e x 一。吼) s t n n ( 芦) 婵：， s e c h c l s e t h 嵋) j i e x p 舡s e c 泓h o t 崛z - c 1 ) j 1 墨如z ；。 墨t 昏。s “s 蹿一q ) 或z ) e x 一f 魏强n n s 筘 陵：。， x s e e h c s e e h 嵋肛x 一阻罐庐 岛妇= 岛绺。s 畦筘一蜀) 一铷x 一瓿拇呵；箨弼 摊2 弱 x f s e c 聃牾q 难e x 舡噗掣 一 曩o ，) = 疋( ，) c 懈n ( ；芦一c ， + 嚣。( ，) e x e e 妒。) s ；n “( ；，z 弼 和蝠鳓p “e 略泌飞s e c , 8 ( r f , z - c , ) f 4 ，2 6 ) 至此，我们已经得到了高速调制光d f w m 穗态方程在蚕种机制下朗不潲解， 在此理论的撼础上，我们将对黼逮调制光自泵浦桐位欺轭及其他过程进行分析和 臻究。 第强拳裹速摄辐调制巍鞠缀共耗技术 4 2 高速调制光自泵浦相位共轭及互泵浦相位共轭技术 4 。2 1 高速调制自泵浦嘏位共辘技术 离速调制光鲁泵满榴位共轭是指入鸯重光为高速振幅调制光时，在晶体中实现 的自浆浦相位共轭作用。本节，我们将利用简速调制光四波混频稳念方程对高速 调制光自泵浦相位菸轭进行理论分析。 、七。 w g 誊2 帮“ 影馘 图4 2 舣作_ h j 隧高速调制光 劁4 3 高速凋制光甄裂浦相位共轭 自泵滞相能共瑰 翅圈4 2 疑示，它楚双终潮s p p c 模型。入辫笼寒3 被振攥调潮。光l 秘毙5 分嗣怒g l 和g 2 区各自的藏牙光，光7 经过g l 健输，走6 和光2 分剐是光l 帮光5 在晶体内壁的反射光。这些光束在g l 和g 2 区中自动产生并相互联系，由此，在g i 和g 2 区各自通过d f w m 产生了相位共轭光3 和7 + 。 对于b a t i 0 3 及s b n 等光折变晶体，是以扩散机制为主要作用机制，n r ；等