定义：基于X(3)非线性效应的光的相互作用

四波混频是一种基于三阶非线性(由X(3)系数描述)的非线性相互作用。当有至少两个不同频率分量的光一同在非线性介质(如光纤)中传播时就有可能发生四波混频效应。假设输入光中有两个频率分量V1和V2(V2>V1)，由于差频的折射率调制，会产生两个新的频率分量：V3=V1-(V2-V1)=2V1-V2和V4=V2+(V2-V1)=2V1-V2。此时如果原先就存在V3和4分量，则表现为V3和4被放大，即这个两个频率分量经历了参量放大。

当四波混频作用涉及四个不同的频率分量时，其为非简并的四波混频。当然还存在简并的四波混频，即四波混频中的两个频率重合。例如，可以利用一个单频的泵浦作为一个临近波长的信号光的放大源，在这个四波混频过程中，每有一个光子被增加到信号光中(即实现放大)时，都会使用两个泵浦波长的光子，另外还在泵浦光波长的另一侧产生一个闲散波的光子。

四波混频过程是对相位非常敏感的(即四波混频作用依赖于涉及到的所有光的相位)，当在光纤等介质中满足相位匹配的条件时，四波混频作用会随着距离的上升而有效的增强。相位匹配的条件意味着四波混频中的各个分量的频率很接近或者介质的有一个合适的色散曲线。在其他情况下则是严重的相位不匹配，此时四波混频作用会被大大地抑制。在固体介质中，还可以通过调节不同光束传播方向的角度来实现相位匹配。

四波混合是相敏过程(即相互作用依赖于所有光束的相对相位) ，它的作用能有效地积累在更长的距离，例如在光纤仅当相位匹配条件得到满足。这是约的情况下，如果所涉及的频率彼此接近，或者如果色散轮廓具有合适的形状。在其他情况下，有强烈的相位失配，四波混频作用被有效地抑制。在散介质，相位匹配也可以通过使用波束之间适当的角度来实现。

光纤中的四波混频作用是与自相位调制和交叉相位调制密切相关的，这些效应都是由同一个非线性效应(克尔效应)造成的，只不过每个效应中的光的频率的简并状态不同。

四波混频在不同的情况下有不同的作用，例如：

1.其会参与到例如纳秒光纤放大器中的光谱展宽。在某些应用中，这种光谱展宽作是很强的，从而会产生超连续谱。在超连续谱产生中会涉及到很多种不同的非线性作用，四波混频作用会在长脉冲的超连续谱产生中起到很大的作用；

2.基于四波混频的参量放大可以用于光纤的光学参量放大器(OPA)和光学参量振荡器(OPO)中。在这种情况下V1和V2是重叠的。相比于基于X(2)非线性效应的光学参量放大器和光学参量振荡器，这种基于四波混频效应的设备中的泵浦光的频率是在信号光和闲散光之间的；

3.四波混频作用在光纤通信中通常是有害的，特别在波分复用技术中，四波混频会造成不同信道之间的串扰和信道功率的不平衡。通过使用非等间隔的信道可以抑制该效应；

4.在光谱学中，四波混频通常出现在相干反斯托克斯拉曼光谱法中。在这种方法中，两个输入光波会产生一个频率略高于输入光的被探测信号。通过改变输入光束的相位延迟，还可以测量激发态寿命和移相率。

5.四波混频还被应用于相共轭，全息成像和光学图像处理等技术中。

参考文献：

[1]R. L. Carman et al., “Observation of degenerate stimulated four-photon interaction and four-wave parametric amplification”, Phys. Rev. Lett. 17 (26), 1281 (1966)

[2]R. H. Stolen, “Phase-matched-stimulated four-photon mixing in silica-fiber waveguides”,IEEE J. Quantum Electron. 11 (3), 100 (1975)

[3]R. H. Stolen and J. E. Bjorkholm, “Parametric amplification and frequency conversion in optical fibers”, IEEE J. Quantum Electron. 18 (7), 1062 (1982)

[4]D. Nodop et al., “Efficient high-power generation of visible and mid-infrared light by degenerate four-wave-mixing in a large-mode-area photonic-crystal fiber”, Opt. Lett. 34 (22), 3499 (2009)

[5]C. W. Thiel, “Four-wave mixing and its applications”, http://www.physics.montana.edu/students/thiel/docs/FWMixing.pdf

参阅：非线性，克尔效应，相位匹配，色散，超连续谱产生，波分复用

本文为原创内容，所有权归本网站所有，禁止转载。违反上述声明者，将追究其相关法律责任

- END -

728