铌酸锂波导中的非线性Cerenkov辐射

胡小鹏，周 进

(南京大学 物理学院，江苏 南京 210093)

图1 Cerenkov辐射在空间的传播示意图

本文主要研究质子交换铌酸锂平面波导中的非线性频率上转换Cerenkov辐射，包括同一导模的倍频辐射和不同导模之间相互耦合产生的和频辐射.

1 实验原理

当频率为ω的激光入射到非线性光波导时，入射光场在光波导中诱导的电极化可以表示为[6]

(1)

图2 波导内第i阶导模和第j阶导模参与的Cerenkov 倍频(i=j)以及不同模式耦合产生的Cerenkov和频(i≠j)过程的相位匹配关系示意图

图2中的相位匹配关系可以写为

|βi(ω)+βj(ω)|=|ki,j(2ω)|cosθi,j,

(2)

2 实验装置及结果

实验装置示意图如图3所示. 激光光源是1台z偏振的Q调制1 064 nm激光器，脉冲宽度约为100 ns，重复频率在1～50 kHz之间可调. 实验中所用的非线性光波导是1块质子交换[7]的z切铌酸锂多模平面光波导，支持TM0，TM1和TM2传播模式. 近红外的基波光通过焦距为5 mm 的柱透镜聚焦到波导中. 在样品的后端面放置观察屏，用来观察Cerenkov辐射光.

图3 实验装置示意图

实验中，仔细调节聚焦基波光和波导的相对位置，让基波光耦合进波导，这时，在屏上可以观察到6个绿点，如图4所示. 点①，④，⑥分别是导模TM0，TM1和TM2的Cerenkov倍频点,相位匹配条件如式(2)所示，其中i=j=0,1,2. 点②，③，⑤来自于波导中不同模式相互作用的Cerenkov和频点，相位匹配条件在式(2)中分别对应于(i=0，j=1),(i=0，j=2)和(i=1，j=2). 各个点旁边的绿色弧线由波导内部散射光参与的Cerenkov倍频及和频过程产生[7-8].

图4 实验中观察到的非线性Cerenkov辐射点

测量屏距离波导后端面的距离L，以及6个辐射点的位置H，据此计算出各个点的Cerenkov辐射角；根据式(2)计算了6个点Cerenkov辐射角的理论值. 实验测量值和理论计算值见表1～2. 从表1～2可以看出，实验值和理论值符合得很好.

表1 Cerenkov倍频辐射角的实验和理论值

表2 不同模式耦合Cerenkov和频辐射角的实验和理论值

3 结束语

铌酸锂波导中的非线性Cerenkov辐射实验将科学前沿的热点问题和物理实验教学相结合，实验设备相对简单，实验现象明显，可以引入到本科大学物理实验教学或者物理相关专业的实验教学中. 实验中的非线性Cerenkov辐射涉及了导波光学、非线性光学和Cerenkov辐射领域，该实验有助于加深学生对相关专业知识的理解，激发学生学习物理的兴趣.