基于相速调制的非线性切伦科夫下转换的理论与实验研究

Since nonlinear Cerenkov radiation was introduced into the area of nonlinear optics, the study of such effect has been a hot topic in the research world, either in the body of optical waveguides or nonlinear photonic crystals. For normal dispersive medium, the phase velocity condition of nonlinear Cerenkov up-conversion process is automatically satisfied, whereas there is a certain threshold of phase velocity in Cerenkov down-conversion process, which is distinct from the case of up-conversion. Therefore, how to achieve such down-conversions in normal dispersive medium effectively has always been a problem that is difficult to solve in the area of nonlinear optics, and moreover, it is a virgin area in this research field. In the proposed project, based on Huygens-Finel principle and coupled-wave theory, we will study the mechanism of the modulation to phase velocities of nonlinear polarization waves via reciprocal vectors and domain walls by use of the optical super-lattices which fulfill the design-ability of artificial microstructure materials. And also, using such a principle of phase velocity modulation, the threshold of phase velocity of down-conversion can be broken, so that various Cerenkov down-conversions can be achieved. In addition, we will explore the effects of polarization, temperature, cavity (micro-cavity) and shape of domain wall on the characteristics of Cerenkov down-conversions, and make a further exploration on the applications in the areas of infrared imaging, quantum optics and so on.

自从非线性切伦科夫辐射的概念被引入到非线性光学领域，无论是在光波导体系，还是在非线性光子晶体体系，对该效应的研究一直是国际上的热点。在正常色散介质中，非线性切伦科夫上转换过程的相速条件可以自动满足，然而，下转换过程则不同，其存在一定的相速阈值。因此，如何在正常色散介质中有效的实现非线性切伦科夫下转换一直是非线性光学领域较难解决的问题，同时也是该领域的一个研究空白。本项目拟利用光学超晶格，发挥其作为人工微结构材料的可设计性，利用惠更斯-菲涅尔原理以及耦合波理论，研究基于倒格矢以及畴壁对非线性极化波相速进行调制的机制。同时，采用这种相速调制原理，打破非线性切伦科夫下转换过程的相速阈值，从而实现多种下转换效应，并深入的探究偏振、温度、谐振腔（微腔）以及畴壁的形状对该效应相关特性的影响，进一步探索其在红外成像、量子光学等领域的应用。

项目基于倒格矢对非线性极化波相速的等效调制，并发挥人工微结构设计的便利性，对非线性切伦科夫辐射做了系统的研究。在工艺方面，优化了退火质子交换波导的折射率方程。利用耦合波方程，理论上模拟了光波导在不同倒格矢作用下，输出的切伦科夫三倍频的相关特性。研究表明，切伦科夫三倍频的效率随着泵浦功率密度、相互作用长度以及温度的变化关系与导模完全匹配所产生的三倍频特性存在很大的差异。在下转换实验中，KTP晶体有一个自身的优势，即它的畴的极化周期可以做的很小。这种优势可以使得非线性差频极化波的相速度得到一个很大的反向调制，从而可以打破切伦科夫下转换的相速阈值。在实验上，我们设计了一个合理的极化周期，利用1064nm以及532nm作为泵浦光源，实现了切伦科夫差频输出。此外，在圆形畴极化的波导中，我们研究了倒格矢对非线性极化波相速的连续调制作用。研究发现，在不同方向的倒格矢参与相互作用时，某一个区域, 泵浦波和辐射波之间的交叠积分会出现极小值。这就导致了切伦科夫倍频辐射在屏幕上某一个特定区域内强度极弱，甚至消光。同时，通过实验，我们还解释了为何横向倒格矢不参与相速调制作用。这主要是因为在此区域非线性拉曼奈斯衍射占据了主导地位，从而导致非线性切伦科夫过程的效率很低。同时，基于这种连续调制的机制，我们在理论上设计了非线性切伦科夫聚焦方案。通过设计连续变化的特殊畴结构，利用惠更斯原理，使其在屏上的某一辐射点的相位始终相干相涨，最终实现聚焦功能。