CN108593120B - 一种基于非线性界面切伦科夫倍频的波前探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于非线性界面切伦科夫倍频的波前探测方法，属于基于非线性光学的波前探测技术领域，根据非线性界面材料，调整待测的基频光入射角度，保证基频光入射至非线性界面产生非线性切伦科夫倍频光，接收并重构倍频光的波前分布，反推基频光的波前分布，本发明基于非线性界面切伦科夫倍频可以在一段宽频谱内自动满足位相匹配关系，实现宽带的频率转换，同时，倍频光与基频光自动分离，无需滤波处理，简化光路，便于测量，此外，倍频光与基频光的波前分布关系对应简单，便于直接进行基频光的波前重构。
Description
技术领域
本发明属于基于非线性光学的波前探测技术领域，具体地说涉及一种基于非线性界面切伦科夫倍频的波前探测方法。
背景技术
光在传播过程中，其波前(位相)可以携带多种物理信息，如大气湍流、光学元件面型误差、光学成像系统像差、生物结构位相特征等。因此波前探测技术在天文观测、光学元件面形检测、生物医学成像等领域有着广泛的应用，并且在某些前沿领域，如量子相干性检测、精密围观操控、材料检测等也发挥了重要作用。对波前的时域分布信息测量，最为常见的是频率分辨光开光法(简称FROG)和光谱相干的直接电场重建法(简称SPIDER)，而为重建空间位相分布，较为常用的方法是利用干涉技术或者采用哈特曼-夏克传感器进行测量，其中干涉技术包含点衍射干涉技术、横向剪切干涉技术等等。
近年来，基于非线性光学的光束波前研究也取得了许多成果。利用非线性过程进行频率转换，可以有效地拓展探测器的测量范围。但是，如果采用一般的共线倍频过程，则存在以下问题：只有在严格位相匹配的条件下，基频光与倍频光波前才会一致，而倍频过程中常见的走离效应、光束发散及光谱宽度等实际问题均会引起位相失配。因此，这种波前探测的思路局限性很大，直接测量困难，需要研究者们做出新的改进。比如根据倍频光光谱强度与基频光光谱强度求得位相失配量，再通过位相失配量与传播角的关系求得基频光波前畸变，但这些改进使得测量方法或复原算法变得较为复杂。
发明内容
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种基于非线性界面切伦科夫倍频的波前探测方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于非线性界面切伦科夫倍频的波前探测方法，包括以下步骤：
S1：根据非线性界面材料，调整待测的基频光入射角度，保证基频光入射至非线性界面产生非线性切伦科夫倍频光；
S2：接收并重构倍频光的波前分布，反推基频光的波前分布。
非线性切伦科夫辐射是一种新型的高效的非共线谐波，其倍频过程的位相匹配关系满足纵向匹配，且具有自动位相匹配的优点，横向无需专门提供波矢或倒格矢即可产生较强辐射。非线性切伦科夫倍频的发生条件是基频光所激发的非线性极化波的相速度大于极化波所产生的二次谐波的相速度。在一般的，基频光与非线性极化波共线的情况下，对于正常色散材料而言，辐射条件天然满足；而对反常色散材料，则需要通过提高极化波的相速度来达到辐射条件。此外，非线性切伦科夫辐射是宽频带的频率转换。
进一步，所述非线性界面处存在非线性系数突变，其通过将两种非线性介质键合获得或通过对非线性晶体进行多种极化产生畴壁获得或设定为非线性介质与空气的交界面。非线性界面的空间不对称性带来了更高的非线性系数以及新的非线性极化张量元，且非线性系数的突变带了额外的倒格矢可补偿横向位相失配。
进一步，所述步骤S1中，所述非线性界面材料为正常色散材料时，基频光沿非线性界面入射或与非线性界面呈夹角入射产生非线性切伦科夫倍频光，且出射的倍频光与非线性界面的夹角大于基频光与非线性界面的夹角。
进一步，所述步骤S1中，所述非线性界面材料为反常色散材料时，基频光与非线性界面呈夹角入射，且夹角为γ，非线性界面对基频光的折射率为n1，非线性界面对倍频光的折射率为n2，则此时，束缚于非线性界面的非线性极化波相速度被调制加快产生非线性切伦科夫倍频光，且出射的倍频光与非线性界面的夹角小于基频光与非线性界面的夹角。
进一步，将非线性界面置于平台上方，通过移动和旋转平台调整基频光入射至非线性界面的入射角度。
进一步，由于非线性界面的平面特性，所产生的倍频光为关于非线性界面对称分布的两个光斑，利用波前传感器正对两个光斑中的一者以接收并重构倍频光的波前。
进一步，所述步骤S2中，假设基频光波前分布某一点的波矢指向为γ0+Δγ，该点在倍频光波前分布对应位置的波矢指向为θ0+Δθ，则其中，n1为非线性界面对基频光的折射率，n2为非线性界面对倍频光的折射率。
本发明的有益效果是：
1、基于非线性界面切伦科夫倍频可以在一段宽频谱内自动满足位相匹配关系，实现宽带的频率转换，同时，倍频光与基频光自动分离，无需滤波处理，简化光路，便于测量，此外，倍频光与基频光的波前分布关系对应简单，便于直接进行基频光的波前重构。
2、非线性界面色散特性会带来天然的扩束或缩束效果，而不引入传统望远镜系统所带来的像差。此外，在扩束的同时有助于提高波前探测分辨率。
附图说明
图1是实施例一中产生的非线性切伦科夫倍频的位相匹配示意图；
图2(a)是非线性界面材料为正常色散材料时，非线性切伦科夫倍频的波前分布与位相匹配关系示意图；
图2(b)是非线性界面材料为反常色散材料时，非线性切伦科夫倍频的波前分布与位相匹配关系示意图。
图1中，θc表示倍频光与非线性界面的夹角，γ表示基频光与非线性界面的夹角，k1表示基频光的波矢，k2表示倍频光的波矢。
图2中，θ表示倍频光与非线性界面的夹角，γ表示基频光与非线性界面的夹角，k1表示基频光的波矢，k2表示倍频光的波矢，d1表示基频光的光斑口径，d2表示倍频光的光斑口径。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
实施例一：
一种基于非线性界面切伦科夫倍频的波前探测方法，所述非线性界面处存在非线性系数突变，其通过将两种非线性介质键合获得或通过对非线性晶体进行多种极化产生畴壁获得或设定为非线性介质与空气的交界面。
首先，确定非线性界面材料是正常色散材料或反常色散材料，将非线性界面置于平台上方，通过移动和旋转平台调整基频光入射至非线性界面的入射角度，保证基频光入射至非线性界面产生非线性切伦科夫倍频光，具体调整过程如下：若非线性界面材料为正常色散材料时，基频光沿非线性界面入射或与非线性界面呈夹角入射产生非线性切伦科夫倍频光，且出射的倍频光与非线性界面的夹角大于基频光与非线性界面的夹角；所述非线性界面材料为反常色散材料时，基频光与非线性界面呈夹角入射，且夹角为γ，非线性界面对基频光的折射率为n1，非线性界面对倍频光的折射率为n2，则此时，束缚于非线性界面的非线性极化波相速度被调制加快产生非线性切伦科夫倍频光，且出射的倍频光与非线性界面的夹角小于基频光与非线性界面的夹角。
然后，由于非线性界面的平面特性，所产生的倍频光为关于非线性界面对称分布的两个光斑，利用波前传感器正对两个光斑中的一者以接收并重构倍频光的波前分布，反推基频光的波前分布即可。
本实施例中，选取的非线性界面为正常色散晶体LiNbO3的内表面，波前传感器采用了哈特曼波前传感器，待测的基频光中心波长选为1053nm红外激光，基频光与非线性界面的夹角为γ，产生非线性切伦科夫倍频为526.5nm绿光，出射的倍频光与非线性界面的夹角为θc。
假设基频光波前分布某一点的波矢指向为γ0+Δγ，该点在倍频光波前分布对应位置的波矢指向为θ0+Δθ，根据耦合波方程推导基频光与倍频光的波前分布关系，耦合波方程在做慢变振幅近似后，如下：
其中，E2＝CE1 2，C是与θ、γ、Δθ、Δγ均无关的函数。
当Δθ＝0时，有Δγ＝0，取Δθ＝0与Δθ≠0两种情况有：
上下两式相除得到：简化得到：Δθk2z＝2Δγk1z，进而得到基频光与倍频光的波前分布关系为
其中，n1为非线性界面对基频光的折射率，n2为非线性界面对倍频光的折射率，Δγ与Δθ分别表示基频光与倍频光的指向偏差，即波前倾斜角，k1和k2分别表示基频光与倍频光的波矢。
本实施例中，非线性界面所产生切伦科夫倍频的位相匹配关系如图1所示，可推导出n1cosγ＝n2cosθc，倍频光与非线性界面夹角大于基频光与非线性界面夹角(因为n1<n2，所以γ<θc)。也就是说，在正常色散条件下，倍频光相比基频光的口径更大。
参见图2，在波前探测器本身的分辨能力不变的情况下，测量倍频光反推基频光波前的方法实际上测量待测光束的分辨率，相较于直接测量基频光波前的方式得到了提高。其中，图2(a)达到了扩束效果，图2(b)达到了缩束效果。分辨率的放大或缩小倍数为通过调节基频光的入射角γ可以改变放大或缩小倍数。
此外，本实施例中的正常色散晶体LiNbO3、基频光中心波长、哈特曼传感器亦可用其它合适的非线性界面、中心波长、波前传感器代替。若采用反常色散晶体，如适当掺镁的铌酸锂晶体等。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。
Claims (6)
1.一种基于非线性界面切伦科夫倍频的波前探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据非线性界面材料，调整待测的基频光入射角度，保证基频光入射至非线性界面产生非线性切伦科夫倍频光；
S2：接收并重构倍频光的波前分布，反推基频光的波前分布；
假设基频光波前分布某一点的波矢指向为γ0+Δγ，该点在倍频光波前分布对应位置的波矢指向为θ0+Δθ，根据耦合波方程推导基频光与倍频光的波前分布关系，耦合波方程在做慢变振幅近似后，如下：
其中，E2＝CE1 2，C是与θ、γ、Δθ、Δγ均无关的函数；
当Δθ＝0时，有Δγ＝0，取Δθ＝0与Δθ≠0两种情况有：
上下两式相除得到：简化得到：Δθk2z＝2Δγk1z，进而得到基频光与倍频光的波前分布关系为其中，n1为非线性界面对基频光的折射率，n2为非线性界面对倍频光的折射率，Δγ与Δθ分别表示基频光与倍频光的指向偏差，k1和k2分别表示基频光与倍频光的波矢。
2.根据权利要求1所述的波前探测方法，其特征在于，所述非线性界面处存在非线性系数突变，其通过将两种非线性介质键合获得或通过对非线性晶体进行多种极化产生畴壁获得或设定为非线性介质与空气的交界面。
3.根据权利要求2所述的波前探测方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述非线性界面材料为正常色散材料时，基频光沿非线性界面入射或与非线性界面呈夹角入射。
4.根据权利要求2所述的波前探测方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述非线性界面材料为反常色散材料时，基频光与非线性界面呈夹角入射，且夹角为γ，非线性界面对基频光的折射率为n1，非线性界面对倍频光的折射率为n2，则
5.根据权利要求3或4所述的波前探测方法，其特征在于，将非线性界面置于平台上方，通过移动和旋转平台调整基频光入射至非线性界面的入射角度。
6.根据权利要求5所述的波前探测方法，其特征在于，所述倍频光为关于非线性界面对称分布的两个光斑，利用波前传感器正对两个光斑中的一者以接收并重构倍频光的波前。
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