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        鈮酸鋰波導(dǎo)中的非線性Cerenkov輻射

        2018-08-09 01:18:20胡小鵬
        物理實驗 2018年7期
        關(guān)鍵詞:波光理論值倍頻

        胡小鵬,周 進

        (南京大學 物理學院,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 實驗原理

        當頻率為ω的激光入射到非線性光波導(dǎo)時,入射光場在光波導(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 實驗裝置及結(jié)果

        實驗裝置示意圖如圖3所示. 激光光源是1臺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). 實驗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 實驗裝置示意圖

        實驗中,仔細調(diào)節(jié)聚焦基波光和波導(dǎo)的相對位置,讓基波光耦合進波導(dǎo),這時,在屏上可以觀察到6個綠點,如圖4所示. 點①,④,⑥分別是導(dǎo)模TM0,TM1和TM2的Cerenkov倍頻點,相位匹配條件如式(2)所示,其中i=j=0,1,2. 點②,③,⑤來自于波導(dǎo)中不同模式相互作用的Cerenkov和頻點,相位匹配條件在式(2)中分別對應(yīng)于(i=0,j=1),(i=0,j=2)和(i=1,j=2). 各個點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 實驗中觀察到的非線性Cerenkov輻射點

        測量屏距離波導(dǎo)后端面的距離L,以及6個輻射點的位置H,據(jù)此計算出各個點的Cerenkov輻射角;根據(jù)式(2)計算了6個點Cerenkov輻射角的理論值. 實驗測量值和理論計算值見表1~2. 從表1~2可以看出,實驗值和理論值符合得很好.

        表1 Cerenkov倍頻輻射角的實驗和理論值

        表2 不同模式耦合Cerenkov和頻輻射角的實驗和理論值

        3 結(jié)束語

        鈮酸鋰波導(dǎo)中的非線性Cerenkov輻射實驗將科學前沿的熱點問題和物理實驗教學相結(jié)合,實驗設(shè)備相對簡單,實驗現(xiàn)象明顯,可以引入到本科大學物理實驗教學或者物理相關(guān)專業(yè)的實驗教學中. 實驗中的非線性Cerenkov輻射涉及了導(dǎo)波光學、非線性光學和Cerenkov輻射領(lǐng)域,該實驗有助于加深學生對相關(guān)專業(yè)知識的理解,激發(fā)學生學習物理的興趣.

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