第九章 光折变介质信息处理 2021/219
2021/2/19 1 第九章 光折变介质信息处理
目录2021219 光学信息处理 荆节第九章光折变介质信息处理 第2节 9.1相位共轭和非线性介质中的相位共轭效应 第3节9.2光折变效应相位共轭器 节9.3用耦合波近似处理光折变晶体中的 第5节 波混频和四波混频效应 第6节 9.4自泵浦相位共轭效应 第7节 第8警9.5互泵浦相位共轭及双色泵浦光折变振荡 9.6利用图像对相位光栅的编码实现非相千光区 相干光转换 9.7相位共轭在联合傅里叶变换相关识别中 的应用 第9章 9.8光折变非线性联合变换相关
第1节 第7章 第2节 第3节 第4节 第5节 第6节 目 录 第7节 第8节 第9章 2021/2/19 光学信息处理 2 第九章 光折变介质信息处理 9．1 相位共轭和非线性介质中的相位共轭效应 9．2 光折变效应相位共轭器 9．3 用耦合波近似处理光折变晶体中的 二波混频和四波混频效应 9．4 自泵浦相位共轭效应 9．5 互泵浦相位共轭及双色泵浦光折变振荡 9．6 利用图像对相位光栅的编码实现非相干光 — 相干光转换 9．7 相位共轭在联合傅里叶变换相关识别中 的应用 9．8 光折变非线性联合变换相关
目录2021219 光学信息处理 菊1节9.1相位共轭和非线性介质中的相位共轭效应 节9.1.1相位共轭 第3节 如果光波置n(,z)经过一个器件后产生一个反 第4节 射波且z(r,的,而且z(r,与置(r,j的波前 第5节 完全重合,只是传播方向相反,那么z2(r,门称 第6节 为置(r,z)的相位共轭波,能够产生相位共轭波 第7节 的器件称为相位共轭器件 第8节 相位共轭器件与常规的反射镜有本质上的区别, 如图9.1所示.当平面波凰倾斜入射到反射镜 上时,它将遵循反射定律,反射波岛和入射波 凰关于法线膊对称分布,岛和凰在反射镜表面 的切向分量相等 (a)光波在反射镜表面反射(b)相位共朗镜 第9章 图9.1相位共轭镜与反射镜
第1节 第7章 第2节 第3节 第4节 第5节 第6节 目 录 第7节 第8节 第9章 2021/2/19 光学信息处理 3 9．1 相位共轭和非线性介质中的相位共轭效应 9．1．1相位共轭 如果光波置n(r，z)经过一个器件后产生一个反 射波且z(r，的，而且z(r， ‘)与置l(r，j)的波前 完全重合，只是传播方向相反，那么z2(r，门称 为置l(r，z)的相位共轭波，能够产生相位共轭波 的器件称为相位共轭器件． 相位共轭器件与常规的反射镜有本质上的区别， 如图9．1所示．当平面波凰倾斜入射到反射镜 上时，它将遵循反射定律，反射波岛和入射波 凰关于法线膊对称分布，岛和凰l在反射镜表面 的切向分量相等． (a)光波在反射镜表面反射 (b)相位共朗镜 图9．1相位共轭镜与反射镜 然而当平面波凰倾斜入射到相位共轭镜上时
目录2021219 光学信息处理 节9.1.2由四波混频效应产生相位共短 第2节 本节中我们将讨论非线性频率变换效应,亦即 第3节 在电磁波传播时,由于介质的非线性极化产生 第4节 的电磁波,它的频率、或偏振方向、或传播方 第5节 向与入射波不同 第6节 设有同一频率的两束光器|和只d,以不同方向 射入介质(图9.2),它们相干叠加的结果,必然 第7节 会在介质中形成光强的周期分布,即光栅,可 第8节 以表为 J(r)=/。(1阴cos(及r),(10) 式中 J。=JH/d,(11) J和J4分别是两束入射光的光强, 第9章 m2人石/J。,(12
第1节 第7章 第2节 第3节 第4节 第5节 第6节 目 录 第7节 第8节 第9章 2021/2/19 光学信息处理 4 9．1．2 由四波混频效应产生相位共短 本节中我们将讨论非线性频率变换效应，亦即 在电磁波传播时，由于介质的非线性极化产生 的电磁波，它的频率、或偏振方向、或传播方 向与入射波不同． 设有同一频率的两束光器l和只d，以不同方向 射入介质(图9．2)，它们相干叠加的结果，必然 会在介质中形成光强的周期分布，即光栅，可 以表为 J(r)＝／。(1十阴cos(及·r))，(10) 式中 J。＝Jl十／d，(11) Jl和J4分别是两束入射光的光强， m—2人石／J。，(12)
目录2021219 光学信息处理 1中9.1.3利用四波混频效应产生相位共轭 第2节 在图9.2所示的四波混频机构中,设 第3节 五1:=A(r)e[(ANr。“月,1 第4节 互z:=Az(r)e[i(A2r。。],L(18) 第5节 Zd= ad(re[(A4v--M)1, j 第6节 这里假设三个波的偏振方向相同,因此我们可以 第7节 用标量来表示它们.由于A,Az和义d都是r的 第8节 函数,所以它们并不一定是平面波.这三个光 波在介质中产生的极化强度可表为 尸’=音X“AAzA;4L(k叶k2A4)”(o? 今—吁d,,(19) 式中x“为极化率的三阶分量.设6c为2方向的单 位矢量,则在条件 第9章
第1节 第7章 第2节 第3节 第4节 第5节 第6节 目 录 第7节 第8节 第9章 2021/2/19 光学信息处理 5 9．1．3 利用四波混频效应产生相位共轭 在图9．2所示的四波混频机构中，设 五1：＝Al(r)e[i(AI·r—。 ‘)]，1 互z：＝Az(r)e[i(A2·r。。]，L (18) Zd＝Ad(r)e[i(A4V—M)1，j 这里假设三个波的偏振方向相同，因此我们可以 用标量来表示它们．由于Al，Az和义d都是r的 函数，所以它们并不一定是平面波．这三个光 波在介质中产生的极化强度可表为 尸’＝音X“’AlAzA；e4iL(k叶k2—A4)”—(ol? 今—吁d，，(19) 式中X“’为极化率的三阶分量．设6c为2方向的单 位矢量，则在条件 众z：＝——众l，1
目录2021219 光学信息处理 节9.2光折变效应相位共朗器 第2节 9.2.1引 第3节 自从四波混频作为一个产生相位共轭的有效方 第4节 法提出来以后,人们就开始寻找这样一类介质, 第5节 在其中四波混频具有足够高的效率.上一节介 第6节 绍的一般非线性介质中,三阶非线性系数X都 非常小,要引起显著的效应,必须有足够高的 第7节 输入光功率,例如1MW/cm?甚至更高.然而, 第8节 在一类称为光折变的晶体材料中,只要很小的 输入光功率,例如1/cmz,就足以引起相当 显著的效应,产生足够强的相位共轭光波.光 折变晶体种类很多,例如BaT02,KTa*Nb, O:(1(N, SrIX BaxNb20e(sBN), Baz Sr2KI Na NbsOIs(BSKNN) 第9章 BilzGe020(BGo), BilzsiOz o (BSO),6
第1节 第7章 第2节 第3节 第4节 第5节 第6节 目 录 第7节 第8节 第9章 2021/2/19 光学信息处理 6 9．2 光折变效应相位共朗器 9．2．1 引言 自从四波混频作为一个产生相位共轭的有效方 法提出来以后，人们就开始寻找这样一类介质， 在其中四波混频具有足够高的效率．上一节介 绍的一般非线性介质中，三阶非线性系数X“’都 非常小，要引起显著的效应，必须有足够高的 输入光功率，例如1MW／cm’甚至更高．然而， 在一类称为光折变的晶体材料中，只要很小的 输入光功率，例如1W／cmz，就足以引起相当 显著的效应，产生足够强的相位共轭光波．光 折变晶体种类很多，例如BaTi02，KTal—*Nb， O：(1(丁N)，Srl—xBaxNb20e(SBN)，Baz—： Sr2Kl— ， Na ， NbsOls(BSKNN) ， BilzGe020(BGO) ， BilzSiOz 。 (BSO) ， LiNbO：，KNb02，GaAs，InP，CdTe等．
目录2021219 光学信息处理 第1节 9.2.2光折变效应 第2节 在光折变介质中,存在一定数量的束缚状态, 第3节 由杂质或缺陷(如缺位、间隙原子、位错)引 第4节 起.电子可能由这些杂质或缺陷所束缚,束缚 第5节 电子的能级称杂质能级,它位于导带和价带之 间.这类由杂质或缺陷提供的带有电子的能级 第6节 称施主 第7节 Yeh提出一个简单的模型L2J.设在光折变介质 第8节 中所有的施主杂质都相同,并处于带隙的同 能级上,见图9.5 光折变介质受到光照时,杂质施主中的电子以 定的概率被激发,由杂质能级跃迁到导带中 去,电离后的施主又可能俘获新的电子.设施 主的浓度为N。,其中川;被电离,则产生电子 第9章 的速率取决干末被激发的施主浓度,即
第1节 第7章 第2节 第3节 第4节 第5节 第6节 目 录 第7节 第8节 第9章 2021/2/19 光学信息处理 7 9．2．2 光折变效应 在光折变介质中，存在一定数量的束缚状态， 由杂质或缺陷(如缺位、间隙原子、位错)引 起．电子可能由这些杂质或缺陷所束缚，束缚 电子的能级称杂质能级，它位于导带和价带之 间．这类由杂质或缺陷提供的带有电子的能级 称施主． Yeh提出一个简单的模型L2J．设在光折变介质 中所有的施主杂质都相同，并处于带隙的同一 能级上，见图9．5． 光折变介质受到光照时，杂质施主中的电子以 一定的概率被激发，由杂质能级跃迁到导带中 去，电离后的施主又可能俘获新的电子．设施 主的浓度为N。，其中川；被电离，则产生电子 的速率取决于末被激发的施主浓度，即
目录2021219 光学信息处理 第1节 9.2.3全息光栅模型 第2节 参见图9.7,设两个波及,凰具有相同的频率 第3节 oJ.为简单起见,设它们具有相同的偏振,因 第4节 此我们可以用标量来处理.设 第5节 且|=Aexp[(众|roJz)],(18) 第6节 置d=义dexp(众dr0z),(19) 第7节 其中A=常数,即是是平面波, 第8节 A·=义d(r),(20) 相对于迅变的相因子exp[众r/,A(r)是缓慢变 化的调制包络,例如在该光波中放入一个透明 片,上面有某种图案. 这两束光以一定的夹角射入光折图9.?光折 变晶体中的变介质,并在介质中相干叠加形成 第9章 条相位共轭效应纹图,其强度分布为
第1节 第7章 第2节 第3节 第4节 第5节 第6节 目 录 第7节 第8节 第9章 2021/2/19 光学信息处理 8 9．2．3全息光栅模型 参见图9．7，设两个波及l，凰具有相同的频率 oJ．为简单起见，设它们具有相同的偏振，因 此我们可以用标量来处理．设 且l＝Alexp[i(众l·r—oJz)]，(18) ．置d＝义dexp[i(众d·r—oJz)]，(19) 其中Al＝常数，即是l是平面波， A‘＝义d(r)，(20) 相对于迅变的相因子exp[i(众·r)]，A‘(r)是缓慢变 化的调制包络，例如在该光波中放入一个透明 片，上面有某种图案． 这两束光以一定的夹角射入光折 图9．?光折 变晶体中的变介质，并在介质中相干叠加形成 条 相位共轭效应纹图，其强度分布为
目录2021219 光学信息处理 第1节 9.3用锅合波近似处理光折变晶体中的二波混频和四波混频效应 第2节 在光折变效应中,由于写入光波相干叠加形成 第3节 的光强周期性分布与内电场通过电光效应形成 第4节 的折射率光栅之间有相位差,因此,不能像节 第5节 9.1.3中那样简单地用一个三阶非线性张量X 来处理 第6节 节9.2.3的“全息光栅模型”假定两个写入 第7节 光波首先在介质中形成折射率光栅,然后读出 第8节 光波在该光栅上衍射产生相位共轭光.而事实 上包括相位共轭波在内的四个光波在介质中是 同时存在的,它们通过介质的光折变效应互相 锅合,彼此影响和制约 呈现出复杂的物理效应,仅仅用读出光在相位光 栅上的衍射产生相位共轭光这样的模型来解释 第9章 这一效应,又嫌过干粕糙
第1节 第7章 第2节 第3节 第4节 第5节 第6节 目 录 第7节 第8节 第9章 2021/2/19 光学信息处理 9 9．3用锅合波近似处理光折变晶体中的二波混频和四波混频效应 在光折变效应中，由于写入光波相干叠加形成 的光强周期性分布与内电场通过电光效应形成 的折射率光栅之间有相位差，因此，不能像节 9．1．3中那样简单地用一个三阶非线性张量X” ， 来处理． 节9．2．3的“全息光栅模型”假定两个写入 光波首先在介质中形成折射率光栅，然后读出 光波在该光栅上衍射产生相位共轭光．而事实 上包括相位共轭波在内的四个光波在介质中是 同时存在的，它们通过介质的光折变效应互相 锅合，彼此影响和制约， 呈现出复杂的物理效应，仅仅用读出光在相位光 栅上的衍射产生相位共轭光这样的模型来解释 这一效应，又嫌过于粗糙．
目录2021219 光学信息处理 菊】节9.3.1在缓变包给及单一光栅近似下介质中的波动方程 第2节 设介质中同时存在N个光波,它们的光矢量为 第3节 J(=1,2,…,N),设它们的频率相同(均为 第4节 oj),偏振方向相同,因此可以用标量来表示: 第5节 zJ=Ae(Aj”、“(=l,2,…,N).(1) 第6节进一步假设这N个波都在2平面内大致沿z或一z) 第7节 方向传播,且波场在2方向无限扩展,则边界条 件要求A仅仅是z的函数 第8节 这N个波在介质中通过光折变效应一般将会形 成多个光栅.为简单起见,我们假定其中一个 光栅是主要的,该光栅的波矢量为及.折射率 的分布可表为 72=920十细,(2) 第9章式中n。是没有光照下的折射率;
第1节 第7章 第2节 第3节 第4节 第5节 第6节 目 录 第7节 第8节 第9章 2021/2/19 光学信息处理 10 9．3．1在缓变包给及单一光栅近似下介质中的波动方程 设介质中同时存在N个光波，它们的光矢量为 xJ(j＝1，2，…，N)，设它们的频率相同(均为 oj)，偏振方向相同，因此可以用标量来表示： ZJ＝Ajei(Aj” 、 “(j＝l，2，…，N)．(1) 进一步假设这N个波都在2z平面内大致沿z(或一z) 方向传播，且波场在2方向无限扩展，则边界条 件要求AJ仅仅是z的函数． 这N个波在介质中通过光折变效应一般将会形 成多个光栅．为简单起见，我们假定其中一个 光栅是主要的，该光栅的波矢量为及．折射率 的分布可表为 72＝920十细，(2) 式中n。是没有光照下的折射率； An：；手eip’ei‘x．r)十c．c．，(3)