사광파 혼합

사광파 혼합(four-wave mixing, FWM), 4광파 혼합, 사파 혼합은 비선형 광학에서 두세 개의 파장 사이의 상호작용으로 두 개 또는 한 개의 새로운 파장을 생성하는 상호변조 현상이다. 이는 전기 시스템의 3차 교차점과 유사하다. 사광파 혼합은 표준 전기 시스템의 상호변조 왜곡과 비교할 수 있다. 이는 입사하는 광자의 에너지가 보존되는 매개변수 비선형 과정이다. FWM은 과정의 효율이 위상 정합 조건에 의해 강하게 영향을 받는 위상에 민감한 과정이다.

메커니즘

비축퇴 사광파 혼합 과정의 에너지 준위 다이어그램. 최상위 에너지 준위는 실제 원자 또는 분자 준위(공명 사광파 혼합) 또는 가상 준위, 공명에서 멀리 떨어져 있는 준위일 수 있다. 이 다이어그램은 주파수 f₁, f₂, f₃, f₄ 사이의 사광파 혼합 상호작용을 설명한다.

세 가지 주파수(f₁, f₂, f₃)가 비선형 매질에서 상호작용할 때, 입사 광자의 산란에 의해 형성되는 네 번째 주파수(f₄)를 발생시켜 네 번째 광자를 생성한다.

입력 f₁, f₂, f₃가 주어지면, 비선형 시스템은 다음을 생성한다.

$\pm f_{1}\pm f_{2}\pm f_{3}$

세 가지 입력 신호에 대한 계산 결과, 12개의 간섭 주파수가 생성되며, 그 중 세 개는 원래 입력 주파수 중 하나에 놓인다. 원래 입력 주파수에 놓이는 이 세 가지 주파수는 일반적으로 자체 위상 변조 및 교차 위상 변조에 기인하며, FWM과는 달리 자연적으로 위상 정합된다는 점에 유의해야 한다.

합 및 차 주파수 생성

사광파 혼합의 두 가지 일반적인 형태는 합 주파수 생성과 차 주파수 생성으로 불린다. 합 주파수 생성에서는 세 개의 장이 입력되고 출력은 세 입력 주파수의 합에 해당하는 새로운 고주파 장이다. 차 주파수 생성에서는 일반적인 출력은 두 개의 합에서 세 번째를 뺀 것이다.

FWM의 효율적인 생성을 위한 조건은 위상 정합이다. 즉, 네 구성요소의 관련 k-벡터가 평면파일 때 0으로 합해져야 한다. 이는 합 및 차 주파수 생성이 혼합 매질의 공명을 활용할 때 종종 향상되기 때문에 중요하다. 많은 구성에서 처음 두 광자의 합은 공명 상태에 가깝게 조정될 것이다. 그러나 공명에 가까울수록 굴절률이 빠르게 변하여 네 개의 동일 선상 k-벡터가 정확히 0으로 합해지지 않게 된다. 따라서 네 구성요소가 위상 잠금을 잃게 되므로 긴 혼합 경로 길이는 항상 가능하지 않다. 결과적으로, 빔은 강도를 높이기 위해서뿐만 아니라 혼합 영역을 단축하기 위해 종종 초점을 맞춘다.

기체 매질에서는 광선이 거의 평면파가 아니고 추가 강도를 위해 종종 초점이 맞춰지기 때문에 종종 간과되는 합병증이 있는데, 이는 위상 정합 조건에서 각 k-벡터에 추가 파이 위상 변화를 더할 수 있다. 합 주파수 구성에서는 이를 만족시키기가 매우 어렵지만 차 주파수 구성에서는 더 쉽게 만족된다(여기서 파이 위상 변화는 상쇄된다). 결과적으로 차 주파수 생성은 일반적으로 합 주파수 생성보다 더 넓은 범위에서 조정 가능하고 설정하기 쉬워, 합 주파수 생성보다 양자효율이 낮더라도 광원으로 선호된다.

모든 입력 광자가 동일한 주파수(및 파장)를 가지는 합 주파수 생성의 특수한 경우는 3차 고조파 생성(THG)이다.

축퇴 사광파 혼합

두 구성요소만 상호작용하는 경우에도 사광파 혼합이 존재한다. 이 경우 다음 항

$f_{0}=f_{1}+f_{1}-f_{2}$

는 세 구성요소를 결합하여 소위 축퇴 사광파 혼합을 생성하며, 세 파동이 상호작용하는 경우와 동일한 특성을 보인다.

광섬유 통신에서 FWM의 부작용

FWM은 파장 분할 다중 (WDM) 시스템에 영향을 미치는 광섬유 특성으로, 여러 광학 파장이 동일한 간격 또는 채널 간격으로 배치된다. FWM의 효과는 파장 채널 간격이 감소할수록 (밀집 WDM 시스템과 같이) 그리고 높은 신호 전력 수준에서 두드러진다. 높은 색 분산은 FWM 효과를 감소시키는데, 신호가 결맞음을 잃거나, 다시 말해 신호 간의 위상 불일치가 증가하기 때문이다. WDM 시스템에서 FWM이 유발하는 간섭은 채널 간 누화로 알려져 있다. FWM은 고르지 않은 채널 간격 또는 분산을 증가시키는 광섬유를 사용하여 완화할 수 있다. 세 주파수가 축퇴에 가까운 특수한 경우, 차이 주파수의 광학적 분리는 기술적으로 어려울 수 있다.

$f_{ijk}=f_{i}+f_{j}-f_{k},\mathrm {where} \,i,j\neq k$

응용 분야

FWM은 광 위상 공액, 매개변수 증폭, 초연속체 생성, 진공 자외선 생성, 변조 전송 분광법, 및 미세 공진기 기반 주파수 빗 생성에 응용된다. 사광파 혼합 기반 매개변수 증폭기 및 발진기는 대부분의 일반적인 매개변수 발진기가 2차 비선형성을 사용하는 것과 달리 3차 비선형성을 사용한다. 이러한 고전적 응용 외에도 사광파 혼합은 양자광학 영역에서 단일 광자, 상관 광자 쌍, 짜내기 광 및 얽힌 광자 생성에 유망한 것으로 나타났다.

같이 보기

• 커 주파수 빗
• 루지아토-레페버 방정식
• 광학적 커 효과
• 광 위상 공액, 위상 공액 거울
• 초연속체 생성

외부 링크

• 레이저 물리학 및 기술 백과사전