胡小鵬，周 進(jìn)

(南京大學(xué) 物理學(xué)院，江蘇 南京 210093)

圖1 Cerenkov輻射在空間的傳播示意圖

本文主要研究質(zhì)子交換鈮酸鋰平面波導(dǎo)中的非線性頻率上轉(zhuǎn)換Cerenkov輻射，包括同一導(dǎo)模的倍頻輻射和不同導(dǎo)模之間相互耦合產(chǎn)生的和頻輻射.

1 實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)頻率為ω的激光入射到非線性光波導(dǎo)時(shí)，入射光場(chǎng)在光波導(dǎo)中誘導(dǎo)的電極化可以表示為[6]

(1)

圖2 波導(dǎo)內(nèi)第i階導(dǎo)模和第j階導(dǎo)模參與的Cerenkov 倍頻(i=j)以及不同模式耦合產(chǎn)生的Cerenkov和頻(i≠j)過程的相位匹配關(guān)系示意圖

圖2中的相位匹配關(guān)系可以寫為

|βi(ω)+βj(ω)|=|ki,j(2ω)|cosθi,j,

(2)

2 實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖3所示. 激光光源是1臺(tái)z偏振的Q調(diào)制1 064 nm激光器，脈沖寬度約為100 ns，重復(fù)頻率在1～50 kHz之間可調(diào). 實(shí)驗(yàn)中所用的非線性光波導(dǎo)是1塊質(zhì)子交換[7]的z切鈮酸鋰多模平面光波導(dǎo)，支持TM0，TM1和TM2傳播模式. 近紅外的基波光通過焦距為5 mm 的柱透鏡聚焦到波導(dǎo)中. 在樣品的后端面放置觀察屏，用來觀察Cerenkov輻射光.

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)中，仔細(xì)調(diào)節(jié)聚焦基波光和波導(dǎo)的相對(duì)位置，讓基波光耦合進(jìn)波導(dǎo)，這時(shí)，在屏上可以觀察到6個(gè)綠點(diǎn)，如圖4所示. 點(diǎn)①，④，⑥分別是導(dǎo)模TM0，TM1和TM2的Cerenkov倍頻點(diǎn),相位匹配條件如式(2)所示，其中i=j=0,1,2. 點(diǎn)②，③，⑤來自于波導(dǎo)中不同模式相互作用的Cerenkov和頻點(diǎn)，相位匹配條件在式(2)中分別對(duì)應(yīng)于(i=0，j=1),(i=0，j=2)和(i=1，j=2). 各個(gè)點(diǎn)旁邊的綠色弧線由波導(dǎo)內(nèi)部散射光參與的Cerenkov倍頻及和頻過程產(chǎn)生[7-8].

圖4 實(shí)驗(yàn)中觀察到的非線性Cerenkov輻射點(diǎn)

測(cè)量屏距離波導(dǎo)后端面的距離L，以及6個(gè)輻射點(diǎn)的位置H，據(jù)此計(jì)算出各個(gè)點(diǎn)的Cerenkov輻射角；根據(jù)式(2)計(jì)算了6個(gè)點(diǎn)Cerenkov輻射角的理論值. 實(shí)驗(yàn)測(cè)量值和理論計(jì)算值見表1～2. 從表1～2可以看出，實(shí)驗(yàn)值和理論值符合得很好.

表1 Cerenkov倍頻輻射角的實(shí)驗(yàn)和理論值

表2 不同模式耦合Cerenkov和頻輻射角的實(shí)驗(yàn)和理論值

3 結(jié)束語

鈮酸鋰波導(dǎo)中的非線性Cerenkov輻射實(shí)驗(yàn)將科學(xué)前沿的熱點(diǎn)問題和物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，可以引入到本科大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)或者物理相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中. 實(shí)驗(yàn)中的非線性Cerenkov輻射涉及了導(dǎo)波光學(xué)、非線性光學(xué)和Cerenkov輻射領(lǐng)域，該實(shí)驗(yàn)有助于加深學(xué)生對(duì)相關(guān)專業(yè)知識(shí)的理解，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣.