การผสมคลื่นสี่ความถี่ (Four-wave mixingหรือFWM ) เป็น ปรากฏการณ์ การผสมผสานคลื่นในทัศนศาสตร์แบบไม่เชิงเส้นซึ่งเกิดจากการปฏิสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่นสองหรือสามความยาวคลื่นทำให้เกิดความยาวคลื่นใหม่สองหรือหนึ่งความยาวคลื่น คล้ายกับจุดตัดอันดับที่สามในระบบไฟฟ้า การผสมคลื่นสี่ความถี่สามารถเปรียบเทียบได้กับการบิดเบือนจากการผสมผสานคลื่นในระบบไฟฟ้ามาตรฐาน เป็นกระบวนการไม่เชิงเส้นแบบพาราเมตริก กล่าวคือ พลังงานของโฟ ตอนที่เข้ามา จะถูกอนุรักษ์ไว้ FWM เป็นกระบวนการที่ไวต่อเฟส กล่าวคือ ประสิทธิภาพของกระบวนการได้รับผลกระทบอย่างมากจากเงื่อนไข การจับคู่เฟส

เมื่อความถี่สามความถี่ (f ₁ , f ₂และ f ₃ ) มีปฏิสัมพันธ์กันในตัวกลางที่ไม่เป็นเชิงเส้น จะทำให้เกิดความถี่ที่สี่ (f ₄ ) ซึ่งเกิดจากการกระเจิงของโฟตอนที่ตกกระทบ ทำให้เกิดโฟตอนที่สี่ขึ้น

เมื่อกำหนดอินพุตf ₁ , f ₂และf ₃แล้ว ระบบไม่เชิงเส้นจะสร้างผลลัพธ์ ดังนี้

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

จากการคำนวณโดยใช้สัญญาณอินพุตทั้งสาม พบว่ามีการเกิดความถี่รบกวน 12 ความถี่ โดยสามความถี่นั้นอยู่บนความถี่ขาเข้าดั้งเดิมความถี่ใดความถี่หนึ่ง โปรดทราบว่าความถี่ทั้งสามนี้ซึ่งอยู่บนความถี่ขาเข้าดั้งเดิมนั้น โดยทั่วไปแล้วเกิดจากการปรับเฟสด้วยตนเองและการปรับเฟสไขว้และมีการจับคู่เฟสโดยธรรมชาติ ซึ่งแตกต่างจาก FWM

การผสมคลื่นสี่ความถี่มีสองรูปแบบที่พบได้ทั่วไป คือการสร้างความถี่รวมและการสร้างความถี่ต่าง ในการสร้างความถี่รวมนั้น จะป้อนสนามความถี่สามสนามเข้าไป และผลลัพธ์ที่ได้จะเป็นสนามความถี่สูงใหม่ที่เป็นผลรวมของความถี่ทั้งสามที่ป้อนเข้าไป ส่วนในการสร้างความถี่ต่างนั้น ผลลัพธ์โดยทั่วไปจะเป็นผลรวมของสองความถี่ลบด้วยความถี่ที่สาม

เงื่อนไขสำหรับการสร้าง FWM ที่มีประสิทธิภาพคือการจับคู่เฟส: เวกเตอร์ k ที่เกี่ยวข้องของส่วนประกอบทั้งสี่ต้องรวมกันเป็นศูนย์เมื่อเป็นคลื่นระนาบ สิ่งนี้มีความสำคัญเนื่องจากการสร้างความถี่ผลรวมและผลต่างมักจะได้รับการปรับปรุงเมื่อมีการใช้เรโซแนนซ์ในตัวกลางผสม ในการกำหนดค่าหลายๆ แบบ ผลรวมของโฟตอนสองตัวแรกจะถูกปรับให้ใกล้เคียงกับสถานะเรโซแนนซ์^{[ 1 ]} อย่างไรก็ตาม ใกล้กับเรโซแนนซ์ ดัชนีการหักเหจะเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วและทำให้การบวกเวกเตอร์ k สี่ตัวที่เรียงตัวกันไม่สามารถรวมกันเป็นศูนย์ได้อย่างแม่นยำ ดังนั้นความยาวเส้นทางการผสมที่ยาวจึงเป็นไปไม่ได้เสมอไป เนื่องจากส่วนประกอบทั้งสี่สูญเสียการล็อกเฟส ด้วยเหตุนี้ ลำแสงจึงมักถูกโฟกัสทั้งเพื่อความเข้มและเพื่อลดระยะทางการผสม

ในตัวกลางที่เป็นก๊าซ ความซับซ้อนที่มักถูกมองข้ามคือลำแสงนั้นแทบจะไม่ใช่คลื่นระนาบ แต่จะถูกโฟกัสเพื่อเพิ่มความเข้ม ซึ่งอาจทำให้เกิดการเลื่อนเฟส pi เพิ่มเติมให้กับเวกเตอร์ k แต่ละตัวในเงื่อนไขการจับคู่เฟส^{[ 2 ] [ 3 ]} มักจะยากมากที่จะทำให้เป็นไปตามเงื่อนไขนี้ในรูปแบบความถี่รวม แต่จะทำได้ง่ายขึ้นในรูปแบบความถี่ต่าง (ซึ่งการเลื่อนเฟส pi จะหักล้างกัน) ^{[ 1 ]}ด้วยเหตุนี้ ความถี่ต่างจึงมักจะปรับได้กว้างกว่าและตั้งค่าได้ง่ายกว่าการสร้างความถี่รวม ทำให้เป็นที่นิยมในฐานะแหล่งกำเนิดแสง แม้ว่าจะมีประสิทธิภาพเชิงควอนตัม น้อย กว่าการสร้างความถี่รวม ก็ตาม

กรณีพิเศษของการสร้างความถี่รวมที่โฟตอนอินพุตทั้งหมดมีความถี่ (และความยาวคลื่น) เดียวกัน คือการสร้างฮาร์มอนิกที่สาม (THG )

การผสมคลื่นสี่คลื่นเกิดขึ้นได้เช่นกันหากมีส่วนประกอบเพียงสองส่วนมีปฏิสัมพันธ์กัน ในกรณีนี้ เทอม

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

จับคู่ส่วนประกอบสามส่วน จึงทำให้เกิด การผสมคลื่นสี่คลื่นที่เรียกว่า เสื่อมสภาพ ซึ่งแสดงคุณสมบัติที่เหมือนกันกับกรณีของคลื่นปฏิสัมพันธ์สามคลื่น^{[ 4 ]}

FWM (Frequency Width Modulation) เป็นลักษณะเฉพาะของใยแก้วนำแสงที่มีผลต่อระบบมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่น (WDM) ซึ่งมีความยาวคลื่นแสงหลายความยาวคลื่นที่เว้นระยะห่างเท่ากัน หรือระยะห่างของช่องสัญญาณ ผลกระทบของ FWM จะเด่นชัดมากขึ้นเมื่อระยะห่างของช่องสัญญาณความยาวคลื่นลดลง (เช่นในระบบ WDM ที่มีความหนาแน่นสูง) และที่ระดับกำลังสัญญาณสูง การกระจายตัวของสีที่ สูง จะลดผลกระทบของ FWM เนื่องจากสัญญาณสูญเสียความสอดคล้องหรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือ ความไม่ตรงกันของเฟสระหว่างสัญญาณเพิ่มขึ้น การรบกวน FWM ที่เกิดขึ้นในระบบ WDM เรียกว่า การรบกวนข้ามช่องสัญญาณ (interchannel crosstalk ) สามารถลด FWM ได้โดยใช้ระยะห่างของช่องสัญญาณที่ไม่เท่ากัน หรือใช้ใยแก้วนำแสงที่เพิ่มการกระจายตัว สำหรับกรณีพิเศษที่ความถี่ทั้งสามใกล้เคียงกันมาก การแยกความถี่ที่แตกต่างกันด้วยแสงอาจเป็นเรื่องที่ท้าทายทางเทคนิค

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

FWM พบการประยุกต์ใช้ในการผันเฟสเชิงแสงการขยายสัญญาณพาราเมตริก การสร้างซูเปอร์คอนทินิวอัมการสร้างแสงอัลตราไวโอเลตสุญญากาศสเปกโทรสโกปีการถ่ายโอนการมอดูเลชัน^{[ 5 ]}และใน การสร้าง หวีความถี่ โดยใช้ไมโคร เรโซเนเตอร์ เครื่องขยายสัญญาณพาราเมตริกและออสซิลเลเตอร์ที่ใช้การผสมคลื่นสี่คลื่นใช้ความไม่เป็นเชิงเส้นอันดับที่สาม ซึ่งแตกต่างจากออสซิลเลเตอร์พาราเมตริกทั่วไปส่วนใหญ่ที่ใช้ความไม่เป็นเชิงเส้นอันดับที่สอง นอกเหนือจากการประยุกต์ใช้แบบคลาสสิกเหล่านี้ การผสมคลื่นสี่คลื่นยังแสดงให้เห็นถึงศักยภาพในระบอบควอนตัมออปติกสำหรับการสร้างโฟตอนเดี่ยว^{[ 6 ]}คู่โฟตอนที่มีความสัมพันธ์กัน^{[ 7 ] [ 8 ]}แสงบีบอัด^{[ 9 ] [ 10 ]}และโฟตอนที่พันกัน^{[ 11 ]}

• หวีความถี่เคอร์
• สมการลูเกียโต-เลเฟเวอร์
• ปรากฏการณ์เคอร์เชิงแสง
• การผันกลับเฟสเชิงแสง, กระจกผันกลับเฟส
• การสร้างซูเปอร์คอนทินิวอัม

• สารานุกรมฟิสิกส์และเทคโนโลยีเลเซอร์