多波混频光谱学浅析

摘 要：多波混频是非线性光学效应的一种应用。光在介质中的传播过程实际上是光与物质相互作用的过程，其特点是介质对光的响应呈非线性的关系，此时，光在介质中传播会产生新的频率，不同的频率的光波之间会产生耦合，独立传播原理和线性叠加原理不再成立。

关键词：多波混频 光谱学 浅析

中图分类号：G4 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2013）01（c）-0076-01

多波混频光谱学是在双光子共振非简并四波混频的基础上，最近提出的一种研究原子或分子高激发态和高角动量态的有效光谱学工具，和四波混频一样，该方法所要求的相位匹配条件较宽松，能够在很大的扫频范围（几百至几千cm-1）内实现，可以用来研究任意阶数的混频效应，因此具有更大的普遍性。其优点如下：能够作用于距离极远的样品，所以它可被用于天文学；十分灵敏，通常只需非常少的量就可鉴别某种物质；通常是一种非破坏性的样品分析方法；能产生详细的空间和时间信息。

1 多波混频的原理

图1为多波混频原理图，光束2…n沿同方向入射，光束n和光束n′有一个很小的夹角θ，光束1和光束n沿着相反的方向共线传播，此时，当满足相位匹配条件时，将得到几乎与光束n′相反方向传播的信号光Signal，即为多光子共振多波混频信号。它也服从能量和动量守恒定律：

2 多波混频光谱学的优点及应用

多波混频是非线性光学效应的一种应用。光在介质中的传播过程实际上是光与物质相互作用的过程，其特点是介质对光的响应呈非线性的关系，此时，光在介质中传播会产生新的频率，不同的频率的光波之间会产生耦合，独立传播原理和线性叠加原理不再成立。激光器的诞生使非线性作为现代光学的一个重要分支迅速发展起来。对非线性光学的研究具有很大的应用价值和长远的科学意义。它不仅为我们提供了产生强相干光辐射和扩展波段的新手段，而且还能够提供一些实际可用的新方法和新技术；非线性光学的应用领域非常的广泛。非线性光学在光信息技术、激光技术和纳米光子技术等领域均有重要应用，例如光调制器、光存储器、光纤放大器、光纤激光器、纳米光开关、激光脉冲压缩、激光选模、激光防护、纳米激光器、纳米传感器等。

原子的高激发态就是多波混频光谱学研究的重要领域之一。高激发态原子主要存在于星球内部、宇宙空间、地球大气、高温等离子体及各种气体激光器内，已经成为了近些年原子分子研究的重点。传统研究激发态常用荧光法，由于处于里德伯态的粒子发出的荧光太微弱所以此法不可行。现在人们用四波混频的方法来研究里德伯态，孙江等已经应用双光子共振非简并四波混频测量钡原子里德堡态的碰撞展宽和频移，测量了氩缓冲气压引起的钡原子里德堡6snd 1D2谱线系的碰撞展宽和频移，计算了n=16-33的碰撞展宽截面和频移截面。本方法是一种纯光学的测量技术，当采用窄带激光器时可以获得里德堡态的消多普勒光谱。与传统实验方法测量到的里德堡态纵向弛豫的碰撞展宽不同，本方法可以研究碰撞引起的两能态间横向弛豫的展宽。

最近，多波混频光谱学与电磁感应透明的结合揭开光谱学又一新的篇章。电磁感应透明的一个重要应用是能够增强光学非线性效应。量子干涉的物理本质是原子相干和量子干涉效应。它是指一种通过应用一束强电磁辐射（耦合光），使得光厚或折射率厚度介质对弱激光束（探测光）变得透明的技术。也可以将量子干涉理解为使用一束强耦合光ν2去调节另一束探测光ν1的吸收系数和折射率。加入耦合光束ν2后，与探测光共振的原子跃迁处的复数极化率Χ=Χ′+iΧ″发生变化，因此，介质对探测光的吸收减弱，色散发生显著变化。吸收系数的变化引起共振处透明，使原本由于共振吸收而难于观测的共振非线性效应变得显著。孙江等通过对引入量子干涉的双光子共振非简并四波混频研究，发现引入耦合光场后，由于量子干涉，双光子共振NFWM的信号能够被抑制或增强。最近孙江等又研究了中间态引入量子干涉的双光子共振四波混频、中间态引入量子干涉的三光子共振共振非简并六波混频和中间态引入量子干涉的四光子共振非简并八波混频。发现在强耦合场作用下，六波混频的频谱出现了Autler-Townes分裂，它反映的是两个缀饰态的能级。发现量子干涉可以使六波混频信号被抑制或增强。提出利用量子干涉对六波混频信号的增强作用，可以由耦合场产生的缀饰态代替原子固有能级，成为三光子共振的中间态。从而控制耦合场来选择三光子共振的中间态的位置。

多光子共振多波混频由于其实现相位匹配条件宽松，在很大的扫频范围内都可满足，并且通过能级共振信号强度可以获得极大的增强，从而易于实现。它克服了非线性阶数越高，实现相位匹配的条件就越复杂，信号强度也将会下降几个数量级等缺点。应用此方法不仅可以测量高激发态原子、分子的偶极跃迁矩阵元，而且可以测得高激发态的横向驰豫时间等物理量，特别是可用于研究高激发态的碰撞加宽和频移，这些独特的优点，使得相位共轭多波混频的研究变得更加重要。

参考文献

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