双共振II类倍频过程中自发对称破缺的实验研究

郭占昌,张 丹,郜江瑞,翟泽辉

双共振II类倍频过程中自发对称破缺的实验研究

郭占昌,张 丹,郜江瑞,翟泽辉＊

(山西大学物理电子工程学院山西太原030006)

对双共振II类倍频过程中泵浦光的两个偏振模之间的自发对称破缺现象进行了实验研究,即当泵浦功率达到一定强度时,输出的两个基频光场不再平衡.此现象表明系统的非线性相互作用强度达到了光学参量振荡器(OPO)的阈值,为进一步的实验奠定了基础.

光学参量振荡器;II类倍频;自发对称破缺;阈值

光学参量下转换过程和倍频过程是量子光学和非线性光学的基本元素.它们在连续变量压缩态与纠缠态的产生[1-5],光学频率转换[6,7]等方面具有重要的意义.另一方面,它丰富的动态特性也对各种光学现象的研究提供了依据,特别是II类相位匹配非线性过程,基频光的矢量叠加使其产生的现象更加丰富多彩[8-15]. II类相位匹配倍频过程是由一对偏振互相垂直、频率同为ω的光束泵浦非线性晶体产生频率2ω光束的过程,可以看作是由I类倍频过程和I类光学下转换过程在同一块非线性晶体内同时产生的[9].很多文献对这一系统的输出光场的压缩与纠缠特性,稳态特性以及在全光触发操作、全光图像处理等方面可能的应用进行了大量的理论与实验研究.它的一个重要的动态特征是当泵浦功率达到一定强度时基频光会发生叉式分岔,即输出的两个基频光场不再平衡.这类似于用力从一根木棍的两端挤压木棍,当力增大到一定程度时木棍将偏向一边,也就是说系统发生了自发对称破缺现象[10].自发对称破缺现象可用于全光信息数字处理中的触发操作和比特存储.在横模简并光学腔中也可用于光学图像的边界识别和反衬度增强[11-13].这一现象已由C.Fabre小组[14,15]在三共振II类倍频系统中观察到.本文采用仅有基频光共振而无倍频光共振的双共振光学腔观测了II类倍频过程的自发对称破缺现象.

1 理论分析

双共振II类倍频过程驻波腔模型如图1(P225)所示,频率为ω,偏振正交的两个基频光场^a1,^a2泵浦一个单端驻波腔,腔内放置有一块II类相位匹配非线性晶体(如KTP晶体)的,通过腔内的非线性相互作用产生倍频光^a0.考虑失谐的情况下,在海森堡表象中可以得到三个内腔模的运动方程:

图1 II类倍频过程驻波腔模Fig.1 Scheme of the cavity in second-harmonic genration(SHG)

本文仅考虑泵浦光完全对称的情况,即α1in2=α2in2=Iin,由方程(3)有(γ2+Δ2-μ2I1I2)(I1-I2)=0.该式表明方程组(3)有两组解,对称解和非对称解.泵浦功率低于特定功率(Iin

当泵浦功率足够强(Iin>Ith)时,腔内的两个偏振的基频光功率不再相等,方程(3)有非对称解,满足:

相应的解为:

关于这一系统发生的自发对称破缺现象有多个文献从不同的方面进行了讨论和解释[10-13].II类倍频过程可看作为I类倍频和I类下转换过程在一个腔内同时发生的过程.运转于自发对称破缺阈值以下时,腔内产生的倍频光强度还不足以在同一腔中发生下转换.泵浦功率增强达到阈值以上时,倍频光的强度达到同一腔的光学参量振荡(OPO)阈值,腔内开始发生参量下转换过程,产生的下转换光的偏振与泵浦光的偏振垂直,导致它们在两个本征模上的投影的不再相等.图2(P226)给出了基频光(实线)和倍频光(虚线)强度随基频光失谐量Δ的变化关系.当失谐量Δ较大时泵浦功率低于阈值,输出的两个偏振的基频光功率基本相等.当失谐量减小时系统阈值也减小,失谐量小于某个特定值时,泵浦功率大于系统阈值,两个偏振模功率不再相等.表现为在原来透射峰的基础上,一个模在中间产生凹陷,另一个模在中间形成凸起.

2 实验装置及其结果

实验装置如图3(P226)所示,基频光由自制的单频Nd:YVO4激光器(波长为1 064 nm)产生,倍频腔采用半整块腔型结构以增强稳定性,非线性晶体为临界匹配的KTP晶体,各抛光面的镀膜见图3.基频光在腔内共振,倍频光经晶体的另一面反射后输出,输入输出耦合镜曲率半径为20 mm,对基频光透射率是5%,总腔长为21 mm,晶体长度为7.5 mm.泵浦光的偏振与KTP的晶轴成45度角以保证两个模^ain1和^ain2的功率大致相等.凹面镜安装在压电陶瓷上以扫描腔长从而实现对基频光腔失谐量Δ的连续扫描.采用控温仪调节KTP晶体的温度以使两个偏振模在腔内同时共振.用偏振分束棱镜和双色反射镜将倍频光、晶轴方向的两个偏振垂直的基频光分开并分别探测后用示波器监视.图4图5是我们在实验上测得的结果:在泵浦功率为1.83 W的情况下,当扫描腔长到接近共振的一段区域(Δ =0附近),图4中基频光1与基频光2的光功率不相等,即两个偏振的基频光功率不再平衡,也就是发生了自发对称破缺.在图5中我们可以看到,二次谐波在近共振区域出现凹陷,此时倍频光发生泵浦耗散.与图2中的理论曲线有所区别,由于温度控制的不稳定使两个偏振模的失谐量并未控制到完全相等,导致每次记录的数据差别较大.但是曲线中的凹陷表明系统发生了自发对称破缺现象.

图2 基频光(实线)和倍频光(虚线)强度随基频光失谐量Δ的变化关系,其中各参数值取为γ=0.03,γc=0.005,μ=10,Iin=0.015Fig.2 Intensities of the fundamental frequency field(solid curie)and harmonic frequency field(dashed curve)as a function of detuningΔwithr=0.03,rc=0.05,μ=10,Iin=0.015

图3 实验装置示意图.HR:高反镀膜,AR:增透镀膜Fig.3 Experimental setup HR: high-reflection coating,AR:iantirefiection

3 小结

我们从实验上观察了双共振II类倍频过程中的自发对称破缺现象,透射峰中出现明显的凹陷表明系统的非线性相互作用强度达到了II类倍频阈值以上的区域,为进一步的进行倍频过程中的各种量子特性的研究提供了依据.

图4 泵浦光的两个基频模重合时,在腔扫描状态下,观察到的自发对称破缺.当腔扫描到共振处时两个基频光的功率将不再相等Fig.4 Spontaneous symmetry breaking is observed when the cality length is scanned in time,The intensities of the extraordinary and oridinary fundamental frequency fields are not equal with double resonance

图5 泵浦光的两个基频模重合时,在腔扫描状态下,观察到的自发对称破缺.当腔扫描到共振处时倍频光的功率曲线也会有凹陷存在Fig.5 Spontaneous symmetry breaking is observed when the cavity length is scanned in time There is a hdlow in the harmonic intencity curve withΔ=0

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Experimental Investigation of Spontaneous Symmetry Breaking in Doubly Resonant,Type II,Second-harmonic Generation

GUO Zhan-chang,ZHANG Dan,GAO Jiang-rui,ZHAI Ze-hui
(School ofPhysics and Electronics Engineering,S hanxi University,Taiyuan030006,China)

We show the experimental observation of symmetry breaking phenomenon in intracavity type II second-harmonic generation(SHG),that is,when the pumping power reach some critical value,the two reflected fundamental field from the cavity are not symmetric anymore.It turns out that the nonlinear strength is strong enough to reach the threshold,which is important for our future study.

OPO;type II SHG;spontaneous symmetry breaking;threshold

O431

A

0253-2395(2010)02-0224-04

2009-12-15;

2010-01-28

国家自然科学青年基金(60708010);国家基础科学人才培养基金(J0730317)

郭占昌(1980-),男,山西和顺人,在读研究生,助教,从事量子光学方面研究.E-mail:zhzehui@sxu.edu.cn