ترکیب چهارموج

اختصار: FWM
تعریف: برهم کنش امواج نوری ناشی از اثر غیرخطی χ^(۳)
 ترکیب چهار موج یک اثر غیرخطی است که از غیرخطیت اپتیکی مرتبه سوم  که با ضریب χ^(۳) توصیف می شود ناشی می شود. اگر دو مولفه فرکانسی مختلف در یک محیط غیر خطی مانند یک فیبر نوری با هم منتشر شوند این اثر ایجاد می شود. با فرض دو مولفه فرکانسی ورودی ν_۱ و  ν_۲ ( با ν_۲ > ν_۱ ) یک مدولاسیون ضریب شکست در فرکانس متفاوتی اتفاق می افتد که دو مولفه فرکانسی اضافی تولید می کند (شکل۱). در نتیجه، دو مولفه فرکانسی جدید ν_۳ = ν_۱ − (ν_۲ − ν_۱) = ۲ ν_۱ − ν_۲  و ν_۴ = ν_۲ + (ν_۲ − ν_۱) = ۲ ν_۲ − ν_۱  تولید می شوند. همچنین، اگر از قبل موجی با فرکانس ν_۳  یا ν_۴ موجود باشد می تواند تقویت شود یعنی این تقویت پارامتری را تجربه می کند.

در توضیحات بالا، فرض شد که چهار مولفه فرکانسی مختلف از طریق ترکیب چهار موج برهمکنش می کنند که ترکیب چهار موج غیر تبهگن نامیده می شود. اگر چه جایی که دو فرکانس از چهار فرکانس منطبق شوند، احتمال ترکیب چهارموج تبهگن نیز وجود دارد. برای مثال، یک موج دمش منفرد موجب تقویت مولفه فرکانسی مجاورش (یک سیگنال) می شود. برای  هر فوتونی که به موج سیگنال افزوده می شود، دو فوتون از موج دمش جدا می شوند، که یکی تبدیل به موج آیدلر[۱] می شود که فرکانس آن در طرف مخالف دمش است. از آنجاییکه ترکیب چهار موج فرآیندی است که به فاز حساس است (یعنی، برهمکنش به فاز نسبی تمام پرتوها وابسته است)، به عنوان مثال، در یک فیبر اگر فقط شرط تطبیق فازی برقرار شود، اثر این فرآیند در فواصل بسیار طولانی به طور موثری انباشته می شود. اگر فرکانس های مورد بحث نزدیک به یکدیگر باشند یا اگر پروفایل پاشندگی تکفام شکل مناسبی داشته باشد ، این فرآیند رخ می دهد. در موارد دیگر، جاییکه عدم تطبیق فازی شدیدی وجود دارد ترکیب چهار موج متوقف می شود. در محیط های  بالک، با استفاده از زوایای خاص بین پرتوها ، تطبیق فازی ایجاد می شود.
ترکیب چهار موج در فیبرها به مدولاسیون خود به خودی فاز و مدولاسیون متقابل فاز وابسته است. تمامی این اثرات از غیرخطیت کر ناشی می شوند و فقط در عبارت های تبهگنی امواج درگیر بایکدیگر فرق می کنند.
ترکیب چهار موج در موقعیت های متنوع مختلفی ایجاد می شود. برخی از مثال ها در ادامه شرح داده شده است:

• در پهن شدگی طیفی شدید در تقویت کننده های فیبری ترکیب چهار موج ایجاد می شود برای مثال برای پالس های نانوثانیه. در برخی کاربردها این اثر بسیار قوی است و تولید فوق پیوستگی[۲] نامیده می شود. اثرات غیرخطی مختلف در اینجا درگیر می شوند و به ویژه در حالت هایی با پالس دمش طویل، ترکیب چهارموج حائز اهمیت است.
• به وسیله ترکیب چهارموج در تقویت کننده ها(OPAs) و نوسان کننده های پارامتری نوری ای (OPOs)  که برمبنای فیبر هستند می توان  تقویت پارامتری انجام داد. در این حالت در بیشتر موارد فرکانس های ν_۱ و ν_۲  منطبق می شوند. در مقایسه OPOs و OPAs برمبنای یک محیط غیرخطی χ^(۲) ، شایان ذکر است که در چنین قطعاتی که بر مبنای فیبر هستند فرکانس دمش بین فرکانس سیگنال و فرکانس آیدلر قرار دارد.
• ترکیب چهار موج می تواند اثرات زیان بار مهمی در ارتباطات فیبر نوری داشته باشد، به ویژه در زمینه ارسال چندین سیگنال با طول موج های مختلف[۳]، که این می تواند باعث تداخل صدا بین کانال ها با طول موج های مختلف و یا عدم تعادل در توان کانال ها شود. یکی از روش های متوقف کردن این اثر اجتناب از فاصله کانالی مساوی است. 
• ترکیب چهار موج در اسپکتروسکوپی کاربرد دارد، به ویژه در تشکیل اسپکتروسکوپی رامان پاد استوکس همدوس [۴] (CARS). دو موج ورودی سیگنالی با فرکانس نوری اندکی بزرگتر تولید می کنند. با تغییر تاخیر زمانی بین پرتوهای ورودی ، این امکان وجود دارد تا طول عمر حالت های برانگیخته و نرخ های نافازی[۵] را اندازه گیری کنیم.
• همچنین در همیوغ فازی، تصویر هولوگرافی و پردازش تصویر اپتیکی ترکیب چهار موج کاربرد دارد.