最新第四章三次谐波与四波混频
第四章镜频抑制和谐波混频器介绍
m n i (t ) f (vLO 1 vi1 ) vLO 1 vi1
m ,n m ,n
m ,n
m ,n
m n m n vLO vRF [(1) 1]
m ,n
m+n 只能为奇数
§ 4.4 谐波混频器
RF ? LO 8GHz RF:15GHz 二次谐波混频
IF 1GHz
17GHz RF:31GHz 33GHz
偶次谐波混频 四次谐波混频
镜频电压： vi Vi cos[(i )t ]
本振电压：vLO VLO cos[(LO )t ] 中频: ωIF= ωRF- ωLO= ωLO- ωRF
20
非线性电阻v-i特性如下
i f (v) a0 a1v a2v .... an v
2
n
21
对信号: 信号在混频器1中混频
。 。 。
偶次谐波混频性能 1.频谱：相比单端混频器，频谱更干净 2.隔离度 3.变频效率 4.噪声特性 镜频噪声
本振噪声 优点：可以用低的LO信号接收高的RF信号， 在毫米波接收机中广泛采用。
如何实现奇次谐波混频？
Байду номын сангаасI2
IF
RF LO I1
m n I1 f vLO vRF vLO vRF
中频滤波器 Ka频 段4 次谐波 混频器
RF:35GHz LO:9GHz
2 LO / 4
RF
wlo
§ 4.5 镜频抑制混频器
一、什么是镜频 对于一个给定的本振信号ωLO ，有两个不同的 射频信号ωLO+ ωIF和ωLO－ωIF 可以产生相 同的中频信号ωIF 。其中一个是我们所期望 的射频信号，而另一个就是我们所说的镜频。
什么是三次谐波三次谐波产生原因？
什么是三次谐波?三次谐波产生原因 在物理学和电类学科中都有三次谐波的概念 f(t)=∑(k=1,n)cos(kwt+ak) 任何一个波函数都可以进行傅里叶分解 如上的形式 当k=1时的分量f(t)=cos(wt+a)成为基波分量 以此类推 当k=3时f(t)=cos(3wt+a3)称为三次谐波。
三次谐波污染主要存在于低压配电网中，以建筑系统较为严重。
其对电网的危害主要有：功率损耗增加、设备寿命缩短、接地保护功能失常、遥控功能失常、电网过热等；对配电站会造成电子器件误动作、电容器损坏、附加磁场、中性线过载和电缆着火。
文章主要介绍了消除三次谐波的各种方法及性能比较。
在电力系统中，正常供电频率是50HZ，所谓“三次谐波”，就是在50HZ的电路中，夹杂有150HZ的交流正弦波，这个150HZ的交流正弦波由于是50HZ 的三倍，于是称之为三次谐波。
输电及配电系统规定：在频率恒定情况下，电压和电流均以正弦波波形运行。
然而在非线性负荷接入系统时，产生的附加的谐波电流会引起电流和电压畸变。
产生三次谐波的非线性单相负荷主要有（不考虑暂态及非正常工作状态）：（1）荧光灯、节能灯及其镇流器；①市场调查表明，国内市场绝大多数的荧光灯电子镇流器三次谐波电流含量高达80%～90%；②高档的电子镇流器三次谐波电流含量分三种标准：标准：其谐波电流含量<37%；标准：其谐波电流含量<30%；带灯丝预热控制的电子镇流器其谐波电流含量<10%。
市场上的商品实际上达不到标准要求；③节能型电感镇流器标准规定<20%，其中三次谐波电流含量占主要成分。
（2）电弧焊接设备（电弧的非线性类负荷）；（3）计算机开关型电源及显示器（大型显示屏幕）；（4）彩色电视机及监视器，如证券公司、体育场馆、商业中心和新闻中心的电视墙的显示幕墙。
普通型彩色电视机可达127%，三次谐波电流含量高达90%； （5）晶闸管调压电源（如加热器、调光器、电化学电源等）；（6）晶闸管调功电源（如加热器、电化学电源等）；（7）整流电源（如电器的工作电源、充电器、直流传动及电化学电源等）； （8）开关型稳压电源及；（9）变频器①变频的家用电器，如空调、洗衣机、风机、泵、微波炉；②工业及建筑用的调速电动机；③中频电源。
第四章三次谐波与四波混频
分类： 分类：
2、非参量过程---非参量过程---介质在与光场相互作用后的终态与初态不同了， 介质在与光场相互作用后的终态与初态不同了，发生 质间的能量转移。 了光场与介 质间的能量转移。
受激拉曼散射(SRS)、受激布里渊散射(SBS)。 受激拉曼散射(SRS)、受激布里渊散射(SBS)。 双光子吸收(TPA)。 双光子吸收(TPA)。 饱和吸收(SA)。 饱和吸收(SA)。
实现三次谐波的困难
（1）晶体中的激光损伤强度阈值较低，无法使用高强度的入射激光。 晶体中的激光损伤强度阈值较低，无法使用高强度的入射激光。 （2）晶体中的双折射特性难以实现三次谐波所要求的位相匹配。 晶体中的双折射特性难以实现三次谐波所要求的位相匹配。 所以，一般难以在晶体中直接实现三次谐波(THG)， 所以，一般难以在晶体中直接实现三次谐波(THG)，方解石直接实现 THG相位匹配的晶体 THG相位匹配的晶体。 相位匹配的晶体。 −6 目前实验结果： 4mm长方解石晶体中以 目前实验结果：在4mm长方解石晶体中以 3 × 10 的转换效率得到了 三次谐波输出。 三次谐波输出。 （3） 对紫外光吸收较强
三次谐波
实现三次谐波的介质 I. 晶体： 晶体：
χ (3) ~ 10− 20 − 10− 23 ( SI制） χ (3) ( SI ) = χ ( 2) ~ 10 −11 − 10−13 ( SI制）
4π ×10 −8 χ ( 3) (esu ) 9 4π χ ( 2) ( SI ) = ×10 − 4 χ ( 2 ) (esu ) 3
三阶非线性光学效应概述
主要特点： 及耦合波方程描述。 主要特点：1、基于 χ (3) 及耦合波方程描述。 2、无论介质有何种对称性，总存在一些非零的 无论介质有何种对称性， χ ( 3) 张量元，原则上三阶非线性光学效应可 张量元， 所有介质中观察到 中观察到。 在所有介质中观察到。 3、比二阶效应弱几个数量级( χ (3) << χ ( 2) )，更难 比二阶效应弱几个数量级( )， 于观察。 于观察。 4、三阶效应中参与相互作用的有四个光电场， 三阶效应中参与相互作用的有四个光电场， 现象更加丰富。 现象更加丰富。
非线性光纤光学 第十章-四波混频
• • •
单泵浦FOPA主要问题：
受激布里渊散射（SBS）的影响
增益谱在整个带宽内远不是均匀的 EDFA的放大自发辐射噪声也能使FOPA的性能显著劣化
双泵浦结构
双泵浦FOPA利用非简并FWM过程，采用波长不同的两个泵浦光源。 通过适当选择泵浦波长，双泵浦FOPA能够在更宽的带宽内提供相当平 坦的增益，而这对单泵浦FOPA来说是不可能的。双泵浦FOPA的参量 增益为
0，此时
Gp (P 0rL)
2
，则放大器增益变为 若相位严格匹配( 0 )且 P 0 r 1
Gp
2 exp( P rL ) exp( P rL ) 1 0 0 sinh2 gL sinh2 P rL exp(2P rL). 0
P0 P 1 P 2
参量增益与相位失配有关， 若不满足相位匹配条件， 则放大器增益就会很小 在 P0 r 的极限条件下，可得
2 sin (L 2) 2 G p 1 (P0 r ) (L 2) 2
若相位失配相对较大，则信号增益相对较小，且随泵浦功率以
P02
增长
如果信号波长接近泵浦波长，则有
4
4
0
如果写成分贝单位时
GdB
1 10 log10 exp(2P0 L) P0 LS p 6 4
S p 10log10 exp2 8.7
参量增益的斜率
放大器的带宽为
1 A [( ) ( P0 r )2 ]1 2 | 2 | s L
四波相互作用过程
第4章 四波相互作用过程在弱相互作用下，即当极化强度可展开场强的幂级数时，四波相互作用的非线性过程是一个三阶过程，因而支配四波相互作用过程的是三阶非线性极化张量。
如前所述，在偶极矩近似下，对于具有中心对称的介质，(200χ≡。
三阶过程则不然，它在所有的介质中都是允许的。
三阶极化率张量比二阶极化率张量小得多。
就晶体而言，(3)χ通常很小，典型值为121510~10esu −−。
与之相比，(2)χ的数量级为7910~10esu −−。
因此，为了提高三阶非线性现象，需要用更强的激光。
但是激光强度的提高常常受晶体损伤的限制。
所以在晶体中三阶非线性过程的转换效率比较低。
而且相位匹配也比较困难。
因此人们想到了气体。
气体介质中的原子或分子密度比固体中的低得多，似乎气体介质的(3)χ就会比液体或固体的(3)χ小的多，因而气体的三阶非线性过程效率是发出之低，以致它绝不会有什么实际意义。
然而，实际上气体的(3)χ能被共振增强，因为气体中极其尖锐的跃迁允许在近共振时有极强的增强，对于具有较大跃迁矩阵元的跃迁就更是如此。
其次，气体中的极限激光强度比凝聚态物质中的极限激光强度高几个数量级，前者大于几千MW/cm 2，后者仅为几百MW/cm 2。
因此尽管气体的(3)χ很小，但由于高强度激光感应的非线性极化强度(3)P却能与固体中用中等强度激光感应的(3)P相比拟。
图4-1 简单四能级系统中的三次谐波元产生以原子中三次谐波的产生为例，这些原子具有如图4-1所示的能级图。
能态g 为基态和态j ′有相同的宇称，而与能级j 及j ′′的宇称相反。
与往常一样，在相反宇称的能级间，偶极矩阵元才不为零，在许多可能对(3)χ有贡献的项里，重要的项在图4-1中给出。
这样简化后的表达式如垂直箭号所示：()()()3(3;,,)432j g j g j g j g j g jg g p j j p j j p j j p g Ni i i αβγδαβγδχωωωωωωΓωωΓωωΓ′′′′′′′′′′′′′′′−≈−−−−−−h(3)χ中的其它项，因为分母比较大，因此对(3)χ的贡献也就不重要。
四波混频波形
一个原子或者分子和其它物质产生碰撞时,能导致其固有辐射频率的改变,这个现象就叫做碰撞效应。宇宙中的物质都是由原子分子构成的，碰撞效应的理论可以用来分析原子或分子内部的结构，为众多学科的研究和发展奠定了理论基础，提供了实验方法，具有非常重要的研究价值。
关于碰撞问题的研究包括对碰撞截面的研究，对谱线线性的研究，对谱线展宽的研究等等。碰撞效应在物理化学甚至其它领域都具有广泛的应用，包括，天文学[3]、等离子体学[4-6]、原子物理学化学[7-9]、材料和气体电子学[10-14]等领域。例如通过对谱线展宽、碰撞截面的研究能够获得气体的密度和温度，从而可以得到恒星表面的引力大小[15]。经由对碰撞引发的放射跃迁的探究能够对等离子体确认判断。B. Sun 和 F. Robicheaux等人在2008年经由对气态物质谱线展宽的探究，得出分离现象中的成对波动现象[16]的存在是引起谱线展宽主导因素的结论，并得到一个计算模型。
激光制冷[63]的原理是利用入射光子与出射光子具有能量差值，也就是说，通过激光提供的动力将介质本身所具有的能量传导到介质外，使得物质的温度下降以实现冷却的结果。早在20世纪中期就有科学家提出利用激光制冷的概念，并且从热学的角度理论验证了其可行性。科研工作者LosA lamos和Epstein等人[64]1995年在美国，通过激光对掺杂Yb3+的玻璃进行照射，率先成功地实验能检测到的的激光冷却效应，在固体物质上,达到了的温度减低0.3K的效果,其冷却效率可以达到2%,与以前研究检测到的冷却相比，效率比以前的高103倍[65],不得不说这是激光冷却探索过程中的重要发现，是激光冷却的转折点。自此之后他们在原有实验的基础上继续研究，分别获得了从室温降温16K、21K、65K的结果[65-67]。
[理学]2012非线性光学04 四波混频与相位共轭a
![[理学]2012非线性光学04 四波混频与相位共轭a](https://img.taocdn.com/s3/m/aba5c4f60c22590102029ddf.png)
在参考光波 k 照射下，可在物光k ' 相反
方向可见物的虚像（光栅反射光）；在参 考光波 k 的照射下可得到 k ' 方向的赝 像（光栅衍射光）
光全息是分步实现的，而简并四波混频产生相位共 轭波是同时的。物理过程本质上是不同的，简并四 波混频在量子光学系统中，由于四个光子同时参与 相互作用，相干效应可以使得系统噪音降低。 11/40
13/40
E2
E1
背向相位共轭波的例子，波振面的空间分布恰好 反向，传播方向相反。
14/40
三、研究相位共轭波的意义
• 为什么研究相位共轭波？
E1 E2
E1
E2
Phase Distorting Medium
z0
相位共轭波最大的应用是消除位相畸变。光波 E1 通过介质 时会产生波前畸变，如果在某一位置，如 z 0 产生一个反
采用沿 z 方向传播的平面波假设，则四波混频波耦
合波方程中对 w4 的方程为
dE(w4) = dz
i w4 2e0cn 4
P(3)(w4 )e-
i D kz
dE( w4 ) dz
=
i 3w4 cn 4
c
(3)(w4; w1,
w2,
w3 )E( w1)E( w2 )E( w3 )e -
i D kz
同样可以写出其他频率为 w1, w2, w3 的波对应的耦合
第四章
光 4.1 三次谐波与四波混频 学 4.2 光学相位共轭 四 波 耦 合 过 程
一、概述
4.1
三次 谐波 与四 波混 频
所有材料中均存在三阶非线性光学 效应。一般材料的三阶非线性光学极化 率要远小于二阶极化率：
二阶：10-3----10-8 esu 三阶：10-12----10-15 esu • 三次谐波 • 四波混频的一般过程 • 光学相位共轭的物理概念 • 简并四波混频 • 相位共轭波应用
四波混频
三次谐波与四波混频（2013年12月31）摘要：讨论了各向同性介质中的三阶非线性过程，以及四波混频和它的特殊情况。
关键词：三阶非线性过程，四波混频。
一、 各向同性介质中的三阶非线性过程只有不具有中心对称性的介质或者各向异性介质才具有二阶非线性，但是所有介质都存在着三阶非线性。
一般(3)χ比(2)χ小得多，故三阶效应要比二阶效应弱得多。
在三阶非线性现象中，也存在着光与介质不发生能量交换，而参与作用的光波之间发生能量交换的非线性效应，这被称为波动非线性效应。
设输入光场()E t 是由沿z 方向传播的三个不同频率的单色光场组成312123().i t i t i t E t E e E e E e c c ωωω---=+++ （1.1） 相应的各向同性介质中的三阶非线性极化强度为(3)(3)30()()P t E tεχ= （1.2） 将式（1.1）代入式（1.2），可见(3)()P t 是具有不同频率的（包括零频）的各项极化强度之和，可以写成(3)()()n i t n nP t P e ωω-=∑ （1.3）式中n 取±，负号表示复数共轭量，包括极化强度的各种频率成分：11211231231200,0,3,,,2ωωωωωωωωωωωω+++-+等。
这些频率项分别表示三次谐波、四波混频、相位共轭、光克尔效应、自聚焦、饱和吸收、双光子吸收、受激散射等三阶非线性光学效应。
三倍频效应是频率为ω的光场入射介质产生频率为3ω光场的过程，其极化强度为(3)(3)30(3)(3;,,)()P E ωεχωωωωω= （1.4） 这里D=1. 很少有晶体能实现三倍频的相位匹配，而且输入激光的强度往往受到光损伤的限制。
气体激光损伤极限强度比固体要高几个数量级，研究表明碱金属蒸汽在可见光区极化率(3)χ有很强的共振增强，因此具有较强的三倍频效应。
以功率比表示的三倍频的转换效率为222(3)223243039()sin ()2P P L kL c P c n n S ωωωωωωηχε∆== （1.5） 定义相干长度c c /,L=L kL /2/2c L k ππ=∆∆=当时，，三倍频效率很快下降；当0k ∆=，相位匹配，有最大的转换效率。
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三次谐波场强为： E ( 3 ) ( 3 ) e i [ 3 t k ( 3 ) z ]
对耦合波方程作慢变振幅近似
2()
z2
Hale Waihona Puke k()()z, 2 z(3 2) k(3) (3 z)
n(3ω) no(2ω) ne(ω)
e(ω) o(2ω) - e(3ω) θ
三次谐波
实现三次谐波的介质
I. 晶体：
(3) ~1 0201 023 (S制 I ） (3)(S)I41 0 8(3)(es)u
9
(2) ~1 0 111 0 13 (S制 I ） (2)(S)I41 04(2)(es)u
所以，在高强度激光作用下，气体中的三阶极化强度可以和 晶体中的二阶极化强度相比拟，特别适合用来产生 XUV(20nm~100nm)和VUV(100nm~200nm)波段的相干辐射。
三次谐波
实验结果： （1）30ps、300MW、1064nm基频光；长度50cm、
三次谐波
II. 气体、原子蒸汽（惰性气体He, Xe, Kr 等；碱金属、碱土金 属蒸汽Na, Rb, Cs, Ti, Ca, Hg等） （1）尖锐的吸收线----共振增强效应显著。 （2）激光损伤强度阈值比晶体中高几个数量级， 可以采用高强度的入射激光场。 （3）气体大多有很宽的透明范围（20nm~可见、红外区）
豫行为的共振吸收介质间的相干相互作用。
三阶非线性光学效应概述
主要特点：1、基于 (3 ) 及耦合波方程描述。
2、无论介质有何种对称性，总存在一些非零的 (3) 张量元，原则上三阶非线性光学效应可 在所有介质中观察到。
3、比二阶效应弱几个数量级( (3) (2) )，更难 于观察。
4、三阶效应中参与相互作用的有四个光电场， 现象更加丰富。
分类：
1、参量过程----光与介质相互作用后，介质仍回到 初态，能量只在光场与光场之间转移。
一些重要的三阶非线性光学效应：
三倍频(THG)。
光感应折射率改变及其相关效应（自聚焦、光
Kerr效应等）。
四波混频(FWM)。
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)。
分类：
2、非参量过程---介质在与光场相互作用后的终态与初态不同了，发生
了光场与介 质间的能量转移。
受激拉曼散射(SRS)、受激布里渊散射(SBS)。 双光子吸收(TPA)。 饱和吸收(SA)。
§4.1 三次谐波
物理过程
' 3
k '
3k
' 1 2 3
k ' k1 k2 k3
3 4 1 2
k3 k4 k1 k2
1 2 3 p
k1 k2 k3 kp
第四章三次谐波与四波 混频
非线性光学中的三大类效应
1、基于非线性极化率 (n)(n2)和耦合波方程描述的效应。
2、光折变效应----介质对光场的非局域响应，其物理模型是光诱 导下的载流子再分布引起的折射率改变。
3、光学瞬态相干效应----光与介质相互作用时间远小于介质驰豫 时间，是指完全相干的强激光场与忽略 随机自发驰
(3)iD 3()eikz
z
为简便起见，做小信号近似
() ()
z
0
得
(即 波损耗很小)
三次谐波
si2n(k)z
(3,z)2D2(,0)6z2
2
(k)z2
2
(6.12)
当 k0 时：
I(3,z)I3(,0)z2D 2
三次谐波
直接 用三阶非线性效应得到
P ( 3 ) ( 3 , z ) 0 ( 3 ) ( , , ) E ( ) E ( ) E ( )
OOO
e
相位匹配条件：
3 n (3 ) n ( ) n ( ) n ( )
n(3ω)
n(ω)
三次谐波
❖ 先通过二倍频再通过混频，得到三倍频。
λ/2
z
z o(ω)
2ω
3ω
y x
x e(2ω)
ω
y
λ/2
三次谐波
❖ 先通过二倍频再通过混频，得到三倍频。
n(2ω)
oe-e
n(ω)
θ
三次谐波
❖ 先通过二倍频再通过混频，得到三倍频。
三次谐波
将 (3)写成 (3 ) (3 )e ˆ，3 则
( 3 z) 2 c i3 ( 3 n ) e ˆ 3 ( 3 ) ( 3 ,,,) e ˆ e ˆ e ˆ 3 () e i k z
令 D 2 c 3 (3 n )e ˆ3 (3 )( 3 , , , )e ˆ e ˆ e ˆ得
则耦合波方程可简化为：
( 3 z) 2 0 i c 3 ( 3 n ) P ( 3 ) ( k 3 ', 3 ) e i [ 3 t k ( 3 ) z ] ( 6 . 1 1 a )
( z ) 2 0 i c () n P ( 3 ) ( k 1 ',) e i [ t k ( ) z ]
( 6 . 1 1 b )
将 P ( 3 ) ( k 3 ' , 3 ) 0 ( 3 ) ( 3 , , , ) e ˆ e ˆ e ˆ 3 ( ) e i [ 3 t 3 k ( ) z ]
（eˆ 为 (方) 向的单位矢量）
代入(6.1-1a)得
(3 z )2 c i3 (3 n ) (3 )( 3 , , , )e ˆe ˆe ˆ 3 ( )e i kz k k(3 ) 3 k( )
图3-9 四波混频过程的显子跃迁图解 (a)三次谐波， (b)四波和频， (c)和(d)光子参量作用
§4.1 三次谐波
耦合波方程求解：
无论是中心对称或各向同性介质，均可能存在
的三次谐波，来源于 3
的三阶极化。 P ( 3 ) ( 3 ) 0 ( 3 ) ( 3 , , , ) E ( ) E ( ) E ( )
3
实现三次谐波的困难
（1）晶体中的激光损伤强度阈值较低，无法使用高强度的入射激光。 （2）晶体中的双折射特性难以实现三次谐波所要求的位相匹配。
所以，一般难以在晶体中直接实现三次谐波(THG)，方解石直接实现 THG相位匹配的晶体。
目前实验结果：在4mm长方解石晶体中以 3106 的转换效率得到了三
次谐波输出。 （3） 对紫外光吸收较强