<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Phys.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Physics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Phys.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-424X</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">838124</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fphy.2022.838124</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Physics</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Spatial Manipulation <italic>via</italic> Four-Wave Mixing in Five-Level Cold Atoms</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Gan</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">Spatial Manipulation <italic>via</italic> Four-Wave Mixing in Five-Level Cold Atoms</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Gan</surname>
<given-names>Shoufei</given-names>
</name>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1594643/overview"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff>
<institution>School of Information Engineering</institution>, <institution>Suzhou University</institution>, <addr-line>Suzhou</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1442489/overview">Weibin Li</ext-link>, University of Nottingham, United&#x20;Kingdom</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1673000/overview">Zhiping Wang</ext-link>, Anhui University, China</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1676084/overview">Liping Li</ext-link>, Zhongyuan University of Technology, China</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Shoufei Gan, <email>ganshfei@163.com</email>
</corresp>
<fn fn-type="other">
<p>This article was submitted to Quantum Engineering and Technology, a section of the journal Frontiers in Physics</p>
</fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>22</day>
<month>03</month>
<year>2022</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2022</year>
</pub-date>
<volume>10</volume>
<elocation-id>838124</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>17</day>
<month>12</month>
<year>2021</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>21</day>
<month>02</month>
<year>2022</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2022 Gan.</copyright-statement>
<copyright-year>2022</copyright-year>
<copyright-holder>Gan</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>In a recent publication [S. Gan, Laser Phys. 31, 055401 (2021)], a scheme for controlling the vortex four-wave mixing (FWM) in a five-level atomic system has been put forward. Based on this work, we propose a new scheme for the spatial manipulation via four-wave mixing in a five-level atomic system when the radial index is considered. It is found that the phase and intensity of the FWM field can be spatially manipulated. More importantly, we show the superposition modes created by the interference between the FWM field and a same-frequency Gaussian beam, which can also be controlled <italic>via</italic> the corresponding parameters. Our research is helpful to understand and manipulate optical vortices and can be widely used in quantum computation and communication.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>four-wave mixing</kwd>
<kwd>cold atoms</kwd>
<kwd>optical vortices</kwd>
<kwd>orbital angular momentum</kwd>
<kwd>Laguerre-Gaussian beam</kwd>
</kwd-group>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>The Laguerre&#x2013;Gaussian (LG) light carrying orbital angular momentum (OAM) [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>] has attracted a lot of interest due to its unique amplitude and phase structures. In particular, the four-wave mixing (FWM) based on OAM light has emerged as a hot topic in recent years. For instance, Qiu et&#x20;al. proposed a scheme to demonstrate the manipulation of space-dependent four-wave mixing (FWM) in a four-level atomic system [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>]. By adjusting the detuning of the control field, one can effectively control the FWM output field. Yu et&#x20;al. described a theoretical investigation of a FWM scheme in a six-level atomic system driven by a field with OAM and making use of two electromagnetically induced transparency (EIT) control fields [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>]. The obtained results allow one to control the helical phase of the output FWM field by varying the intensities of the two EIT control fields as well as the detuning of the probe field. Quite recently, Wang et&#x20;al. have also proposed some schemes to control vortex FWM carrying OAM in different nanostructures [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>].</p>
<p>In this paper, we investigated the spatial manipulation <italic>via</italic> four-wave mixing in a five-level atomic system. Quite recently, we have proposed a scheme for modulating the spatial vortex FWM in a five-level atomic system [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>]. However, different from this previous study, the major features of applying our considered scheme are as follows. First, the main difference between our scheme and the one in [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>] is that we have shaped the LG field as a double-ring LG mode with the radial index <italic>p</italic>&#x20;&#x3d; 1 while in [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>] the radial index is 0. This scheme has many advantages for controlling the FWM in comparison with the publication [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>]. For example, the double-ring LG mode provides two FWM channels, and in different channels the spatial variation of the FWM are different. Second, in this scheme more physical parameters (e.g., the radial index <italic>p</italic>&#x20;&#x3d; 1) can be manipulated and hence one can select suitable radial index <italic>p</italic> to explore singularity characteristics of helical phase wavefront in nonlinear processes. Third, we display the superposition modes created by the interference between the FWM field and a same-frequency Gaussian beam, which show a more flexible intensity control or phase control for the superposition&#x20;modes.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2 Theoretical Model and Equations</title>
<p>We consider an atomic system as shown in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure&#x20;1</xref>. A probe field with Rabi frequency <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m1">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (&#x3a9;<sub>
<italic>p</italic>0</sub> and <italic>R</italic>
<sub>
<italic>p</italic>
</sub> are the amplitude and transverse radius with <italic>t</italic> being the time) is applied to the transition &#x7c;2&#x27e9; &#x2194;&#x7c;0&#x27e9;. A control field with Rabi frequency &#x3a9;<sub>
<italic>c</italic>
</sub> drives the transition &#x7c;2&#x27e9; &#x2194;&#x7c;1&#x27e9;. A pump field with Rabi frequency &#x3a9;<sub>1</sub> drives the transition &#x7c;3&#x27e9; &#x2194;&#x7c;2&#x27e9;, while a LG field with Rabi frequency &#x3a9;<sub>
<italic>v</italic>
</sub> drives the transition &#x7c;4&#x27e9; &#x2194;&#x7c;3&#x27e9;. Here &#x3a9;<sub>
<italic>v</italic>
</sub> is defined as<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m2">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m3">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="|" close="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="|" close="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>, &#x3a9;<sub>
<italic>v</italic>0</sub> is the initial Rabi frequency, <italic>r</italic> is the radius and the beam waist is <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>0</sub>. <italic>&#x3d5;</italic> is the azimuthal angle and <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m4">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="|" close="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> is the Laguerre polynomial. The radial index and azimuthal index are defined by <italic>p</italic> and <italic>l</italic>, respectively.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>Schematic of a five-level atomic system.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-838124-g001.tif"/>
</fig>
<p>Making use of the Schr&#xf6;dinger equation, the dynamical equations for the atomic probability amplitudes <italic>A</italic>
<sub>
<italic>j</italic>
</sub>(<italic>j</italic>&#x20;&#x3d; 1&#x2013;4) in the interaction picture are given by [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>].<disp-formula id="e2a">
<mml:math id="m5">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x002217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(2a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e2b">
<mml:math id="m6">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x002217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(2b)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e2c">
<mml:math id="m7">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x002217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x20d7;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x20d7;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(2c)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e2d">
<mml:math id="m8">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x20d7;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x20d7;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="right"/>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left"/>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(2d)</label>
</disp-formula>where &#x394;<sub>
<italic>p</italic>
</sub>, &#x394;<sub>
<italic>c</italic>
</sub>, &#x394;<sub>3</sub> and &#x394;<sub>4</sub> are the detunings of the fields. The <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m9">
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x20d7;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x20d7;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x20d7;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x20d7;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x20d7;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is phase mis-matching condition, and <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m10">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x20d7;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the wave vectors of the corresponding fields. The <italic>&#x3b3;</italic>
<sub>
<italic>n</italic>
</sub> (<italic>n</italic>&#x20;&#x3d; 1&#x2013;4) are decay&#x20;rates.</p>
<p>Under the slowly varying envelope approximation, the propagation equations of the probe and FWM fields are governed by the Maxwell equations<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m11">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a5;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>02</mml:mn>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>04</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x002217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>where <italic>k</italic>
<sub>
<italic>p</italic>(<italic>m</italic>)</sub> is the wave number of the probe field (FWM field). <italic>&#x3ba;</italic>
<sub>02(04)</sub> &#x3d; 2<italic>N&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>p</italic>(<italic>m</italic>)</sub>&#x7c;<italic>D</italic>
<sub>02(04)</sub>&#x7c;<sup>2</sup>/(<italic>c&#x210f;</italic>) is the propagation constant, which is related to the frequently used oscillator strengths of the transition &#x7c;0&#x27e9; &#x2194;&#x7c;2&#x27e9; (&#x7c;4&#x27e9;). <italic>N</italic> and <italic>D</italic>
<sub>02(04)</sub> are the atomic density and dipole moment between states &#x7c;0&#x27e9; and &#x7c;2&#x27e9; (&#x7c;4&#x27e9;), respectively.</p>
<p>We assume all the atoms are in the ground state &#x7c;0&#x27e9; i.e. <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m12">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="|" close="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula> and use the condition of phase matching <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m13">
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x20d7;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>. By applying Fourier transformations <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m14">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to Eqs 2a, 3 and obtain [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>].<disp-formula id="e4a">
<mml:math id="m15">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left"/>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x002217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(4a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e4b">
<mml:math id="m16">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left"/>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x002217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(4b)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e4c">
<mml:math id="m17">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left"/>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x002217;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(4c)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e4d">
<mml:math id="m18">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left"/>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2009;,</mml:mtext>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(4d)</label>
</disp-formula>and the Maxwell&#x2019;s equations &#x3a9;<sub>
<italic>p</italic>(<italic>m</italic>)</sub> obeyed as follows<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m19">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22a5;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>02</mml:mn>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>04</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>where <italic>&#x3c9;</italic> is the Fourier frequency. <italic>f</italic>
<sub>1</sub> &#x3d; <italic>&#x3c9;</italic> &#x2b; &#x394;<sub>
<italic>p</italic>
</sub> &#x2212; &#x394;<sub>
<italic>c</italic>
</sub> &#x2b; <italic>i&#x3b3;</italic>
<sub>1</sub>, <italic>f</italic>
<sub>2</sub> &#x3d; <italic>&#x3c9;</italic> &#x2b; &#x394;<sub>
<italic>p</italic>
</sub> &#x2b; <italic>i&#x3b3;</italic>
<sub>2</sub>, <italic>f</italic>
<sub>3</sub> &#x3d; <italic>&#x3c9;</italic> &#x2b; &#x394;<sub>
<italic>p</italic>
</sub> &#x2b; &#x394;<sub>3</sub> &#x2b; <italic>i&#x3b3;</italic>
<sub>3</sub>, <italic>f</italic>
<sub>4</sub> &#x3d; <italic>&#x3c9;</italic> &#x2b; &#x394;<sub>
<italic>p</italic>
</sub> &#x2b; &#x394;<sub>3</sub> &#x2b; &#x394;<sub>4</sub> &#x2b; <italic>i&#x3b3;</italic>
<sub>4</sub>, and <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m20">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> are the Fourier transformations of &#x3a9;<sub>
<italic>p</italic>(<italic>m</italic>)</sub>. The first terms on the right-hand sides of the <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">Eq. 5</xref> accounts for light diffraction. Light diffraction can be neglected if the propagation distance is much smaller than the Rayleigh ranges of the probe pulse or the generated FWM field [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>], i.e. <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m21">
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>. We take the propagation distance <italic>z</italic>&#x20;&#x3d; 15&#xa0;mm, the transverse characteristic dimension <italic>w</italic>
<sub>
<italic>T</italic>
</sub> &#x3d; <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>0</sub> &#x3d; 0.18&#xa0;mm and the wavelength of the FWM field <italic>&#x3bb;</italic> &#x2248; 300&#xa0;nm, obtaining <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m22">
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mn>339.12</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula> mm &#x226b; 15&#xa0;mm. So it is safe to ignore diffraction in this&#x20;work.</p>
<p>Using the initial condition <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m23">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>, the generated FWM field is given by<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m24">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>04</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m25">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m26">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="|" close="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>02</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m27">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="|" close="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>04</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m28">
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>02</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>04</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>, <italic>M</italic>&#x20;&#x3d; (<italic>f</italic>
<sub>1</sub>
<italic>f</italic>
<sub>2</sub> &#x2212; &#x7c;&#x3a9;<sub>
<italic>c</italic>
</sub>&#x7c;<sup>2</sup>) (<italic>f</italic>
<sub>3</sub>
<italic>f</italic>
<sub>4</sub> &#x2212; &#x7c;&#x3a9;<sub>
<italic>v</italic>
</sub>&#x7c;<sup>2</sup>) &#x2212; &#x7c;&#x3a9;<sub>1</sub>&#x7c;<sup>2</sup>
<italic>f</italic>
<sub>1</sub>
<italic>f</italic>
<sub>4</sub>, with <inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m29">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We can see that there exist two modes <italic>K</italic>
<sub>&#x2b;</sub>(<italic>&#x3c9;</italic>) and <italic>K</italic>
<sub>&#x2212;</sub>(<italic>&#x3c9;</italic>) described by the dispersion relation <italic>K</italic>(<italic>&#x3c9;</italic>) &#x3d; <italic>K</italic>
<sub>&#x2b;</sub>(<italic>&#x3c9;</italic>) &#x2b; <italic>K</italic>
<sub>&#x2212;</sub>(<italic>&#x3c9;</italic>) in <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Eq. 6</xref>, the real part Re[<italic>K</italic>(<italic>&#x3c9;</italic>)] reflects the phase while the imaginary part Im[<italic>K</italic>(<italic>&#x3c9;</italic>)] represents the absorption&#x20;[<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>].</p>
</sec>
<sec sec-type="results|discussion" id="s3">
<title>3 Results and Discussion</title>
<p>In this section, we aim to study the effects of the different parameters on phase and intensity of the FWM field <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m30">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In order to clearly show the spatial-dependent mechanism, the superposition modes created by the interference between the FWM field and a same-frequency Gaussian beam are also provided.</p>
<p>In <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure&#x20;2</xref>, we plot the phase and the normalized intensity patterns of the FWM field versus the (<italic>x</italic>, <italic>y</italic>) for different probe detuning &#x394;<sub>
<italic>p</italic>
</sub>. As we expected, both the phase (<xref ref-type="fig" rid="F2">Figures 2A1&#x2013;A7</xref>) and intensity (<xref ref-type="fig" rid="F2">Figures 2B1&#x2013;B7</xref>) patterns are divided into two parts. From this figure, one can find that, upon increasing &#x394;<sub>
<italic>p</italic>
</sub> from 1&#xa0;MHz to &#xb1;5&#xa0;MHz, the value of intensity decrease progressively while the phase twist is suppressed. The key factor is that the azimuthal dependent absorption and dispersion properties of the FWM field are modulated, which lead to the corresponding results. Moreover, the real (<xref ref-type="fig" rid="F2">Figures 2C1&#x2013;C7</xref>) part and imaginary (<xref ref-type="fig" rid="F2">Figures 2D1&#x2013;D7</xref>) part of dispersion relation <italic>K</italic>(<italic>&#x3c9;</italic>) are shown in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure&#x20;2</xref>, which have given the physical reason for the phase and the intensity patterns of the FWM field being changed in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure&#x20;2</xref>.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>Phase <bold>(A1&#x2013;A7)</bold> and normalized intensity <bold>(B1&#x2013;B7)</bold> patterns of the FWM field for different probe detuning &#x394;<sub>
<italic>p</italic>
</sub>. The real <bold>(C1&#x2013;C7)</bold> and imaginary <bold>(D1&#x2013;D7)</bold> parts of dispersion relation <italic>K</italic>(<italic>&#x3c9;</italic>) versus radius <italic>r</italic> for different probe detuning &#x394;<sub>
<italic>p</italic>
</sub>. The other parameters are <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>0</sub> &#x3d; 0.18 mm, <italic>R</italic>
<sub>
<italic>p</italic>
</sub> &#x3d; 3<italic>&#x3c9;</italic>
<sub>0</sub>, <italic>&#x3c9;</italic> &#x3d; 3 MHz, <italic>z</italic>&#x20;&#x3d; 15 mm, <italic>p</italic>&#x20;&#x3d; 1, <italic>l</italic>&#x20;&#x3d; 2, <italic>&#x3b3;</italic>
<sub>1</sub> &#x3d; 1 &#xd7; 10<sup>&#x2013;4</sup> MHz, <italic>&#x3b3;</italic>
<sub>2</sub> &#x3d; 6 MHz, <italic>&#x3b3;</italic>
<sub>3</sub> &#x3d; 0.66 MHz, <italic>&#x3b3;</italic>
<sub>4</sub> &#x3d; 0.08 MHz, &#x3a9;<sub>1</sub> &#x3d; 12 MHz, &#x3a9;<sub>
<italic>v</italic>0</sub> &#x3d; 2.5 MHz, &#x3a9;<sub>
<italic>c</italic>
</sub> &#x3d; 5.5 MHz, &#x3a9;<sub>
<italic>p</italic>0</sub> &#x3d; 0.55 MHz, &#x394;<sub>
<italic>c</italic>
</sub> &#x3d; &#x394;<sub>3</sub> &#x3d; &#x394;<sub>4</sub> &#x3d; 0, <italic>&#x3ba;</italic>
<sub>02</sub> &#x3d; 200 MHz/mm, <italic>&#x3ba;</italic>
<sub>04</sub> &#x3d; 0.01<italic>&#x3ba;</italic>
<sub>02</sub>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-838124-g002.tif"/>
</fig>
<p>In <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure&#x20;3</xref>, we present the phase and the normalized intensity patterns of the FWM field for different detuning &#x394;<sub>3</sub>. By direct comparison in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figures 2</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F3">3</xref>, we obtain that the situation in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure&#x20;3</xref> is nearly the same as the <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure&#x20;2</xref>. Such results indicate that the OAM phase is transferred to the FWM field and is modulated <italic>via</italic> detuning &#x394;<sub>3</sub>. Here, we also provide the real part and imaginary part of dispersion relation in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figures 3C1&#x2013;C7</xref> and <xref ref-type="fig" rid="F3">Figures 3D1&#x2013;D7</xref>. By increasing the detuning &#x394;<sub>3</sub>, both the imaginary part and real part are changing. So we can see the varying phase and intensity of the FWM&#x20;field.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>Phase <bold>(A1&#x2013;A7)</bold> and normalized intensity <bold>(B1&#x2013;B7)</bold> patterns of the FWM field for different detuning &#x394;<sub>3</sub>. The real <bold>(C1&#x2013;C7)</bold> and imaginary <bold>(D1&#x2013;D7)</bold> parts of dispersion relation <italic>K</italic>(<italic>&#x3c9;</italic>) versus radius <italic>r</italic> for different detuning &#x394;<sub>3</sub>. The other parameters are the same as in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure&#x20;2</xref>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-838124-g003.tif"/>
</fig>
<p>Next, to obtain a better understanding of the vortex modulation, we show the superposition patterns of the FWM field and a same-frequency Gaussian beam in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure&#x20;4</xref>. As illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure&#x20;4</xref>, the superposition patterns are extremely rotated for different detunings &#x394;<sub>
<italic>p</italic>
</sub> and &#x394;<sub>3</sub>. The reason for this is that, due to the equiphase surface of Gaussian beam is a plane, azimuthally phase difference between the FWM field and Gaussian beam is very sensitive to detunings (&#x394;<sub>
<italic>p</italic>
</sub>, &#x394;<sub>3</sub>), which reflects the different superposition patterns. The findings in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure&#x20;4</xref> imply that the OAM phase is indeed transferred to the FWM field and has a spatial dependency, which is originated from the spatial-sensitive absorption and dispersion properties induced by the three fields in the present system.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>Superposition phase <bold>(A1&#x2013;A14)</bold> and intensity <bold>(B1&#x2013;B14)</bold> patterns of FWM field and the same-frequency Gaussian beam <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m31">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> for different &#x394;<sub>
<italic>p</italic>
</sub> and &#x394;<sub>3</sub>. The other parameters are the same as in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure&#x20;2</xref>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-838124-g004.tif"/>
</fig>
<p>We note that, very recently, some theoretical schemes for controlling the space-dependent FWM in atoms [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>] or in semiconductor quantum wells [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>] have been proposed. Comparing with those schemes, the major features of our proposal are the following. First, we have utilized the EIT induced by a additional control beam &#x3a9;<sub>
<italic>c</italic>
</sub>. The EIT scheme has many advantages for controlling the FWM in comparison with the one in [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>]. For example, the coherent optical FWM with the EIT condition mediated by detunings &#x394;<sub>
<italic>p</italic>
</sub> or &#x394;<sub>3</sub> will lead to many orders of magnitude enhancement in the amplitude of the generated wave (e.g., see <xref ref-type="fig" rid="F2">Figures 2</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F3">3</xref>). Second, Different from the results obtained in [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>], we display the superposition modes created by the interference between the FWM field and a same-frequency Gaussian beam. It is found that the superposition modes can be spatially manipulated <italic>via</italic> the corresponding parameters, which show a more flexible intensity control or phase control for the superposition modes. Third, unlike in solid-state systems [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>], nonlinear effects are highly efficient and require only low light intensities in atomic vapors, which is convenient for the experimental realization of our scheme.</p>
<p>Before ending this section, it is worthwhile to briefly discuss the possible experimental realization of our scheme. Such an atomic structure can be realized in cold <sup>85</sup>Rb atoms. The designated states can be chosen as: &#x7c;0&#x27e9; &#x3d; &#x7c;5<italic>S</italic>
<sub>1/2</sub>, <italic>F</italic>&#x20;&#x3d; 1&#x27e9;, &#x7c;1&#x27e9; &#x3d; &#x7c;5<italic>S</italic>
<sub>1/2</sub>, <italic>F</italic>&#x20;&#x3d; 2&#x27e9;, &#x7c;2&#x27e9; &#x3d; &#x7c;5<italic>P</italic>
<sub>3/2</sub>&#x27e9;, &#x7c;3&#x27e9; &#x3d; &#x7c;5<italic>D</italic>
<sub>5/2</sub>&#x27e9; and &#x7c;4&#x27e9; &#x3d; &#x7c;<italic>nP</italic>
<sub>3/2</sub>&#x27e9; (<italic>n</italic>&#x20;&#x3e; 10). Three transitions are &#x7c;5<italic>S</italic>
<sub>1/2</sub>, <italic>F</italic>&#x20;&#x3d; 1&#x27e9; &#x2194;&#x7c;5<italic>P</italic>
<sub>3/2</sub>&#x27e9; at 780&#xa0;nm, &#x7c;5<italic>P</italic>
<sub>3/2</sub>&#x27e9; &#x2194;&#x7c;5<italic>D</italic>
<sub>5/2</sub>&#x27e9; at 776&#xa0;nm, &#x7c;5<italic>D</italic>
<sub>5/2</sub>&#x27e9; &#x2194;&#x7c;63<italic>P</italic>
<sub>3/2</sub>&#x27e9; at 1260&#xa0;nm, and a Rydberg transition generated the FWM field &#x7c;5<italic>S</italic>
<sub>1/2</sub>, <italic>F</italic>&#x20;&#x3d; 1&#x27e9; &#x2194;&#x7c;63<italic>P</italic>
<sub>3/2</sub>&#x27e9; at 300&#xa0;nm.</p>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4 Conclusion</title>
<p>In summary, we have studied the spatial manipulation <italic>via</italic> four-wave mixing (FWM) in a five-level atomic system. Interestingly, by adjusting the detunings, one can effectively modulate the phase and intensity of the FWM field when the radial index is considered. More importantly, we show the superposition modes created by the interference between the FWM field and a same-frequency Gaussian beam, which show many interesting properties. So our results may be helpful to investigate the interactions between OAM light and quantum media [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>,&#x20;<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>].</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec id="s5">
<title>Data Availability Statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/Supplementary material, further inquiries can be directed to the corresponding author.</p>
</sec>
<sec id="s6">
<title>Author Contributions</title>
<p>The author confirms being the sole contributor of this work and has approved it for publication.</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="s7">
<title>Conflict of Interest</title>
<p>The author declares that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s8">
<title>Publisher&#x2019;s Note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<ack>
<p>This work is supported by the key project of continuing education and teaching reform of Department of Education&#x20;of Anhui Province (2019jxjj39) and the key project of research and development of Anhui Province (NO. 202004a05020043).</p>
</ack>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<label>1.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Allen</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Beijersbergen</surname>
<given-names>MW</given-names>
</name>
<name>
<surname>Spreeuw</surname>
<given-names>RJC</given-names>
</name>
<name>
<surname>Woerdman</surname>
<given-names>JP</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Orbital Angular&#x20;Momentum of Light and the Transformation of Laguerre-Gaussian Laser&#x20;Modes</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>1992</year>) <volume>45</volume>:<fpage>8185</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.45.8185</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B2">
<label>2.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Qiu</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ding</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yu</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Control of Space-dependent Four-Wave Mixing in a Four-Level Atomic System</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2020</year>) <volume>102</volume>:<fpage>033516</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.102.033516</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yu</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Engineering Helical Phase via Four-Wave Mixing in the Ultraslow Propagation Regime</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2021</year>) <volume>103</volume>:<fpage>013518</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.103.013518</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B4">
<label>4.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
<name>
<surname>Qiu</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hong</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yu</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Spatially Dependent Four-Wave Mixing in Semiconductor Quantum wells</article-title>. <source>Appl Phys Lett</source> (<year>2019</year>) <volume>115</volume>:<fpage>171905</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.5121275</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B5">
<label>5.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Paspalakis</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yu</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Efficient Spatiotemporal-Vortex Four-Wave Mixing in a Semiconductor Nanostructure</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2020</year>) <volume>102</volume>:<fpage>063509</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.102.063509</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B6">
<label>6.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Qiu</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ding</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>W</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yu</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Highly Efficient Vortex Four-Wave Mixing in Asymmetric Semiconductor Quantum wells</article-title>. <source>Opt Express</source> (<year>2020</year>) <volume>28</volume>(<issue>3</issue>):<fpage>2975</fpage>&#x2013;<lpage>86</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/oe.379245</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gan</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Spatial Vortex Four-Wave Mixing in a Five-Level Atomic System</article-title>. <source>Laser Phys</source> (<year>2021</year>) <volume>31</volume>:<fpage>055401</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1555-6611/abee8e</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B8">
<label>8.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Payne</surname>
<given-names>MG</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hagley</surname>
<given-names>EW</given-names>
</name>
<name>
<surname>Deng</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Efficient Multiwave Mixing in the Ultraslow Propagation Regime and the Role of Multiphoton Quantum Destructive Interference</article-title>. <source>Opt Lett</source> (<year>2004</year>) <volume>29</volume>:<fpage>2294</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/ol.29.002294</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Saldana</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhu</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Large Enhancement of Four-Wave Mixing by Suppression of Photon Absorption from Electromagnetically Induced Transparency</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2003</year>) <volume>67</volume>:<fpage>013811</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.67.013811</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hong</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ding</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yu</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Ultraslow Vortex Four-Wave Mixing via Multiphoton Quantum Interference</article-title>. <source>Opt Express</source> (<year>2019</year>) <volume>27</volume>:<fpage>29863</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/oe.27.029863</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yu</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Spatially Dependent Hyper-Raman Scattering in Five-Level Cold Atoms</article-title>. <source>Opt Express</source> (<year>2021</year>) <volume>29</volume>(<issue>7</issue>):<fpage>10914</fpage>&#x2013;<lpage>22</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/oe.420015</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B12">
<label>12.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>X</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Highly Efficient Four-Wave Mixing in Double-&#x39b;system in Ultraslow Propagation Regime</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2004</year>) <volume>70</volume>:<fpage>053818</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.70.053818</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B13">
<label>13.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Qiu</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yu</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Generation of New Structured Beams via Spatially Dependent Transparency</article-title>. <source>Quan Inf Process</source> (<year>2019</year>) <volume>18</volume>:<fpage>1</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11128-019-2278-6</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B14">
<label>14.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>W</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pan</surname>
<given-names>X</given-names>
</name>
<name>
<surname>Du</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lou</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Reconfigurable Hexapartite Entanglement by Spatially Multiplexed Four-Wave Mixing Processes</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2020</year>) <volume>124</volume>:<fpage>090501</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.124.090501</pub-id> </citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>