CN111399308A - 用于任意矢量光场频率变换的偏振无关倍频方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于任意矢量光场频率变换的偏振无关倍频方法及装置。偏振无关倍频方法包括：令矢量型信号光束和平顶高斯型泵浦光束分别从偏振非线性Sagnac干涉仪的双波长偏振分光棱镜的两面输入，以使矢量型信号光束与平顶高斯型泵浦光束在干涉仪的两个方向上均发生II型倍频；通过干涉仪两个方向上的II型倍频所产生的两个频率上转换光束，经干涉仪锁相合束后再与剩余泵浦光束分离，以获得矢量型信号光束的倍频光束，即实现了与信号光偏振无关的倍频；矢量型信号光束与平顶高斯型泵浦光束具有相同的频率，并同时进入干涉仪。本发明的上述技术为任意矢量光场频率变换及偏振图像上转换探测提供了一种偏振无关的倍频装置和方法，并具有优良转换保真度。

Description

用于任意矢量光场频率变换的偏振无关倍频方法及装置
技术领域
本发明的实施方式涉及光学领域，更具体地，本发明的实施方式涉及一种用于任意矢量光场频率变换的偏振无关倍频方法及装置。
背景技术
在众多非线性光学应用中，基于二阶非线性相互作用的参量转换作为一种光学频率转换器，是目前激光和光子系统中最基本也是最重要的一种光场调控手段。然而，这一基本调控功能在面对具有空间非均匀偏振状态的“矢量光场”时难以实施。因为目前已商业化的非线性晶体无法同时转换矢量光场的正交偏振分量。为实现矢量光场的参量转换，一个可行的解决方案是使用具有SU(2)对称性的非线性干涉仪，其中“正交双晶体”和“Sagnac(塞格纳克)环路”是两种最为可靠的实施方案。最近，已有课题组通过正交放置的两块I型超薄晶体演示了矢量光场的倍频(2018年《Optics Letters》第43卷第5981页发表的《Nonlinear frequency conversion and manipulation of vector beams》和2019年《Applied Physics Letters》第115卷第051101页发表的《Frequency-conversion ofvector vortex beams with space-variant polarization in single-passgeometries》)。然而该方案无法使用长周期性极化晶体实现高转换率，因为长晶体在正交偏振分量间引入的瑞利距离的偏移很难修正，使上转换探测系统难以设计及优化。
发明内容
在本上下文中，本发明的实施方式期望提供一种用于任意矢量光场频率变换的偏振无关倍频方法及装置，以至少解决现有技术所存在的不足。
在本发明实施方式的第一方面中，提供了一种用于任意矢量光场频率变换的偏振无关倍频方法，所述偏振无关倍频方法包括：令矢量型信号光束和平顶高斯型泵浦光束分别从偏振非线性Sagnac干涉仪的双波长偏振分光棱镜的两面输入，以使所述矢量型信号光束与所述平顶高斯型泵浦光束在所述干涉仪的两个方向上均发生II型倍频；通过所述干涉仪两个方向上的II型倍频所产生的两个频率上转换光束，经所述干涉仪锁相合束后再与剩余泵浦光束分离，以获得所述矢量型信号光束的倍频光束，即实现了与信号光偏振无关的倍频；所述矢量型信号光束与所述平顶高斯型泵浦光束具有相同的频率，并同时进入所述干涉仪。
进一步地，所述偏振非线性Sagnac干涉仪包括双波长偏振分光棱镜、第一反射镜以及第二反射镜，其中，所述偏振分光棱镜、所述第一反射镜和所述第二反射镜均为覆盖基频光与倍频光的双波长元件；所述偏振非线性Sagnac干涉仪还包括双波长二分之一波片和II型倍频非线性晶体；其中，双波长二分之一波片设于双波长偏振分光棱镜与第一反射镜之间，II型倍频非线性晶体设于第一反射镜与第二反射镜之间。
进一步地，所述偏振非线性Sagnac干涉仪的两个方向包括第一和第二方向；其中，当所述第一方向为顺时针方向时，所述第二方向为逆时针方向；当所述第一方向为逆时针方向时，所述第二方向为顺时针方向。
进一步地，在所述偏振非线性Sagnac干涉仪内，所述矢量型信号光束的水平偏振分量与所述平顶高斯型泵浦光的垂直分量沿第一方向一起传播，而所述矢量型信号光束的垂直偏振分量与平顶高斯型泵浦光的水平分量沿第二方向一起传播。
进一步地，双波长偏振分光棱镜的第一面作为第一端口，矢量型信号光束入射经所述第一端口进入所述偏振非线性Sagnac干涉仪，经所述双波长偏振分光棱镜分解为水平偏振态信号光与垂直偏振态信号光，所述水平、垂直偏振态信号光分别沿第一、第二方向在所述偏振非线性Sagnac干涉仪中前进；所述偏振非线性Sagnac干涉仪的第二反射镜至双波长偏振分光棱镜的外延长线上设有二向色分光镜，二向色分光镜的第一侧作为第三端口，45°偏振的平顶高斯型泵浦光经第三端口进入所述偏振非线性Sagnac干涉仪，经所述双波长偏振分光棱镜分解为垂直偏振态泵浦光与水平偏振态泵浦光，所述垂直、水平偏振态泵浦光分别沿第一、第二方向在所述偏振非线性Sagnac干涉仪中前进；在第一方向上，所述水平偏振态信号光与所述垂直偏振态泵浦光经设于所述偏振非线性Sagnac干涉仪的双波长偏振分光棱镜与第一反射镜之间的45°的双波长二分之一波片交换偏振态，接着经第一反射镜反射至设于第一反射镜与第二反射镜之间的Ⅱ型非线性晶体发生II型倍频，产生的水平偏振态的倍频光作为第一倍频光束；所述第一倍频光束依次由第二反射镜反射和双波长偏振分光棱镜透射后，从双波长偏振分光棱镜的第二面输出；在第二方向上，所述垂直偏振态信号光与所述水平偏振态泵浦光经所述第二反射镜反射至所述II型非线性晶体发生II型倍频，产生的水平偏振态的倍频光经由所述第一反射镜反射至45°的双波长二分之一波片而转换为垂直偏振态的倍频光，作为第二倍频光束；所述第二倍频光束经所述双波长偏振分光棱镜反射后，与所述第一倍频光束合束从所述双波长偏振分光棱镜的第二面输出。
根据本发明的第二方面，还提供了一种用于任意矢量光场频率变换的偏振无关倍频，所述偏振无关倍频装置包括双波长偏振分光棱镜、45°的双波长二分之一波片、第一反射镜、II型倍频非线性晶体、第二反射镜以及二向色分光镜；所述双波长二分之一波片设于所述双波长偏振分光棱镜与所述第一反射镜之间，所述II型倍频非线性晶体设于所述第一反射镜与所述第二反射镜之间，使得所述双波长偏振分光棱镜、45°的双波长二分之一波片、第一反射镜、II型倍频非线性晶体以及第二反射镜构成偏振非线性Sagnac干涉仪；其中，所述偏振分光棱镜1、所述第一反射镜3和所述第二反射镜5均为覆盖基频光与倍频光的双波长元件；所述二向色分光镜设于所述第二反射镜至所述双波长偏振分光棱镜的外延长线上；矢量型信号光束入射至所述双波长偏振分光棱镜的第一面，所述双波长偏振分光棱镜的所述第一面作为第一端口；所述矢量型信号光束经所述第一端口进入所述偏振非线性Sagnac干涉仪，由所述双波长偏振分光棱镜分解为水平偏振态信号光与垂直偏振态信号光，所述水平、垂直偏振态信号光分别沿第一、第二方向在所述偏振非线性Sagnac干涉仪中前进；45°偏振的平顶高斯型泵浦光入射至所述二向色分光镜的第一侧，所述二向色分光镜的所述第一侧作为第三端口；所述平顶高斯型泵浦光经所述第三端口由所述二向色分光镜透射，入射至所述双波长偏振分光棱镜的第二面并进入所述偏振非线性Sagnac干涉仪，由所述双波长偏振分光棱镜分解为垂直偏振态泵浦光与水平偏振态泵浦光，所述垂直、水平偏振态泵浦光分别沿第一、第二方向在所述偏振非线性Sagnac干涉仪中前进；其中，所述矢量型信号光束与所述平顶高斯型泵浦光束具有相同的频率，并同时进入所述偏振非线性Sagnac干涉仪；在第一方向上，所述水平偏振态信号光与所述垂直偏振态泵浦光经45°的双波长二分之一波片交换偏振态，接着经所述第一反射镜入射至Ⅱ型非线性晶体发生Ⅱ型倍频，产生的水平偏振态的倍频光作为第一倍频光束；所述第一倍频光束依次由所述第二反射镜反射和所述双波长偏振分光棱镜透射后，从所述双波长偏振分光棱镜的第二面输出；在第二方向上，所述垂直偏振态信号光与所述水平偏振态泵浦光经所述第二反射镜入射所述II型非线性晶体发生II型倍频，产生的水平偏振态的倍频光经由所述第一反射镜反射至45°的双波长二分之一波片，并经所述双波长二分之一波片转换为垂直偏振态的倍频光，作为第二倍频光束；所述第二倍频光束经所述双波长偏振分光棱镜反射后，与所述第一倍频光束合束从所述双波长偏振分光棱镜的第二面输出；从所述双波长偏振分光棱镜的第二面输出的合束光束经所述二向色镜的第二侧反射后与剩余泵浦光分离；所述二向色分光镜的第二侧作为第二端口，用于输出转换后的倍频光场。
进一步地，所述第一方向为顺时针方向，所述第二方向为逆时针方向；或所述第一方向为逆时针方向，所述第二方向为顺时针方向。
进一步地，所述平顶高斯光束由高斯光束经全息衍射元件或空间光调制器变换而来。
进一步地，所述非线性晶体为II型相位匹配倍频晶体
进一步地，所述第一、第二反射镜为双波段反射镜，或能否够覆盖基频及倍频波段的金属反射镜。
根据本发明实施方式的一种用于任意矢量光场频率变换的偏振无关倍频方法及装置，为任意矢量光场频率变换提供了一种偏振无关的倍频装置和方法，并具有优良转换保真度。本发明的上述技术能够为全矢量量子频率变换提供基础，也可以为偏振图像上转换探测提供一条有效的解决方案。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：
图1是示意性地示出根据本发明实施方式的用于任意矢量光场频率变换的偏振无关倍频方法的流程图；
图2是示意性地示出根据本发明实施方式的用于任意矢量光场频率变换的偏振无关倍频装置的一个示例的结构框图；
图3是示出平顶高斯光束的实际形貌和光斑横向截线分布的示意图；
图4是示出以高阶庞加莱球表征SOC状态的示意图；
图5是实验制备的波长为795nm的信号光的空间形貌及其偏振状态的示意图；
图6是经过频率变换后的波长为397nm的倍频光场的空间形貌及其偏振状态的示意图；
图7是实验制备的波长为795nm的该SOC状态信号光的空间形貌及其偏振状态的示意图；
图8是倍频光场的近(远)场的空间形貌及其偏振状态的示意图；
图9是信号光场、倍频光场的近场、倍频光场的远场的空间形貌的横向截线对比的示意图。
在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。
具体实施方式
下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本发明人发现，基于“Sagnac环路”方案分别利用I型BBO晶体及0型周期极化非线性晶体完成矢量光的倍频研究，矢量倍频的理论与实验研究(2019年《Physical review A》第99卷第2期发表的《Dynamic tomography of the spin-orbit coupling in nonlinearoptics》和《Optics Letters》第44卷第12期发表的《Nonlinear frequency conversionand manipulation of vector beams in a Sagnac loop》)，虽然实现了矢量光场的倍频，但输出倍频光场的偏振结构(SOC状态)相较于输入信号已经发生了剧烈变化。需要注意的是：在经典(或量子)信息应用中，矢量光场的SOC状态是承载传播信息的基础；因此要求频率变换器在变换输入光信号频率的过程中不可以影响被变换光场的SOC状态。
为了解决这一矛盾问题，本发明为了解决频率变换矢量光场且不破坏其原有SOC状态的问题，提出与输入信号偏振态无关的倍频方法及相应实施装置：将信号(矢量)光与泵浦(平顶高斯光束)光从含有II型倍频晶体的偏振Sagnac非线性干涉仪的两端同时注入，从而实现与输入信号偏振态无关的频率上转换。
本发明人发现，通过将矢量型信号光束和平顶高斯型泵浦光束分别从偏振非线性Sagnac干涉仪的两个端口同时输入，使矢量型信号光束与平顶高斯型泵浦光束在干涉仪的两个方向(顺时针及逆时针)都发生II型倍频，产生频率上转换光束，输出的频率上转换光束经由偏振非线性Sagnac干涉仪合束后，与泵浦光束分离，即可获得矢量型信号光束的频率上转换光束，完成偏振无关的频率上转换。
任意矢量光场可以理解为一对具有正交偏振状态
Figure BDA0002422069770000064
的偏振相关的空间模式(为不失一般性，以共轭的拉盖尔-高斯(LG)光束为例)的叠加。因此，基于共轭LG光束的矢量光场可以描述为
Figure BDA0002422069770000061
其中，
Figure BDA0002422069770000062
表示上述任意矢量光场的描述，
Figure BDA0002422069770000063
表示上述共轭的拉盖尔-高斯光束的光场描述。
式中，α∈[0，1]与θ分别为两LG模式的权重与模式间的相位；l，p分别指LG光束的角向与径向指数；
Figure BDA0002422069770000071
指LG光束的空间光强分布；k表示光场波矢；r，
Figure BDA0002422069770000072
z为柱坐标系下的坐标。
由于光束LG在傍轴传播中空间光强分布保持不变，式(1)可表述为
Figure BDA0002422069770000073
式中，ω表示光场角频率，
Figure BDA0002422069770000074
表示自旋轨道耦合状态空变的偏振态。
接下来以II型倍频为例，分析矢量光场偏振无关频率变换的原理。首先，(2)式所描述的状态，经由双波长偏振分光棱镜d-PBS分束为水平与垂直偏振两个部分。为方便讨论，
Figure BDA0002422069770000075
与
Figure BDA0002422069770000076
将由代表水平与垂直偏振状态的
Figure BDA0002422069770000077
和
Figure BDA0002422069770000078
表示：
Figure BDA0002422069770000079
其中，β表示
Figure BDA00024220697700000710
表象下的归一化模式系数，φ表示对应的模式间相位。
所以，(2)式可表示为：
Figure BDA00024220697700000711
式中，
Figure BDA00024220697700000712
和
Figure BDA00024220697700000713
表示与
Figure BDA00024220697700000714
和
Figure BDA00024220697700000715
偏振相关的空间模式，即
Figure BDA00024220697700000716
表示水平偏振相关的空间模式，
Figure BDA00024220697700000717
表示垂直偏振相关的空间模式。该两部分空间模式在偏振非线性Sagnac干涉仪中分别沿顺时针与逆时针方向同时前进，并在通过非线性晶体时与泵浦光源完成II型倍频过程。
Figure BDA00024220697700000718
其中，
Figure BDA00024220697700000719
表示水平偏振态的倍频光光场，
Figure BDA00024220697700000720
表示垂直偏振态的倍频光光场。
式(5)所示的即为偏振非线性Sagnac干涉仪中，顺时针方向与逆时针方向同时II型倍频产生倍频场的过程。产生的倍频场再次通过d-PBS合束并由二向色镜与泵浦光分离。由于Sagnac干涉仪的相位自锁定结构，式(4)中的相位eiφ将一直存在，并保持不变。故而，最终输出的光场为：
Figure BDA0002422069770000081
其中，
Figure BDA0002422069770000082
表示水平、垂直偏振态的倍频光的合束光束的光场。
对比式(4)与(6)，可以认为，可将将任意矢量光场倍频、即与信号光偏振无关的频率上转换目的已经达到。
下面分别描述本发明的一些实施例。
示例性方法
下面参考图1来描述根据本发明示例性实施方式的用于任意矢量光场频率变换的偏振无关倍频方法。
图1示意性地示出了根据本公开实施例的用于任意矢量光场频率变换的偏振无关倍频方法的流程图。
如图1所示，在步骤S110中，令矢量型信号光束和平顶高斯型泵浦光束分别从偏振非线性Sagnac干涉仪的双波长偏振分光棱镜1的两面输入，以使矢量型信号光束与平顶高斯型泵浦光束在干涉仪的两个方向上均发生II型倍频。
作为示例，本发明实施例中的平顶高斯型泵浦光束所采用的平顶高斯光束由高斯光束经全息衍射元件或空间光调制器变换而来。
作为示例，偏振非线性Sagnac干涉仪例如可以包括如图2所示的双波长偏振分光棱镜1、第一反射镜3与第二反射镜5，此外，还可以包括如图2所示的45°的双波长二分之一波片2和II型非线性晶体4。
值得一提的是，本发明偏振非线性Sagnac干涉仪中的双波长偏振分光棱镜1、第一反射镜3与第二反射镜5类似于一个传统型偏振Sagnac干涉仪的结构，传统型的偏振Sagnac干涉仪通常由一个偏振分光棱镜和两个反射镜构成。但需要注意的是，在本发明实施例的偏振非线性Sagnac干涉仪中，双波长偏振分光棱镜1、第一反射镜3与第二反射镜5均为覆盖基频光与倍频光的双波长元件；而传统型的偏振Sagnac干涉仪不包含双波长器件，其无法适用于本实施例中的非线性频率变换场景。
如图2所示，45°的双波长二分之一波片2设置于双波长偏振分光棱镜1与第一反射镜3之间，II型非线性晶体4设置于第一反射镜3与第二反射镜5之间。
其中，Ⅱ型非线性晶体4例如为Ⅱ型相位匹配倍频晶体。
此外，第一、第二反射镜例如为双波段反射镜，或者，第一、第二反射镜例如可以是能够覆盖基频及倍频波段的金属反射镜。
应当说明的是，本实施例所说的双波长或双波段均是指代基频和倍频所对应的两个波长或两个波段。其中，基频对应是指本实施例中发生倍频前的信号光和泵浦光的频率，而倍频是指本实施例所得的倍频光的频率。
作为示例，干涉仪的两个方向包括第一和第二方向。在本实施例中，第一方向为顺时针和逆时针中的一个方向，而第二方向则为与第一方向相反的另一个方向。如第一方向为顺时针方向，则第二方向为逆时针方向；若第一方向为逆时针方向，则第二方向为顺时针方向。在下文中，将以第一方向为顺时针、第二方向为逆时针为例进行示例性描述，应当理解的是，在本发明的其他实施例中，也可是第一方向为逆时针、第二方向为顺时针，将不再一一赘述。
接着，在步骤S120中，通过干涉仪两个方向上的II型倍频所产生的频率上转换光束(此为2个倍频光束)，经干涉仪锁相合束后再与剩余泵浦光束分离，分离出来的合束光即为矢量型信号光束的倍频光束，即实现了与信号光偏振无关的倍频。
其中，矢量型信号光束与平顶高斯型泵浦光束具有相同的频率，并且是同时进入偏振非线性Sagnac干涉仪的。
作为示例，在偏振非线性Sagnac干涉仪内，矢量型信号光束的水平偏振分量(即下文所述的水平偏振态信号光)与平顶高斯型泵浦光的垂直分量(即下文所述的垂直偏振态泵浦光)沿顺时针方向一起传播，而矢量型信号光束的垂直偏振分量(即下文所述的垂直偏振态信号光)与平顶高斯型泵浦光的水平分量(即下文所述的水平偏振态泵浦光)沿逆时针方向一起传播。
作为示例，参考图2，双波长偏振分光棱镜1的第一面作为第一端口，矢量型信号光束入射经第一端口进入偏振非线性Sagnac干涉仪，经双波长偏振分光棱镜1分解为水平偏振态信号光与垂直偏振态信号光，水平、垂直偏振态信号光分别沿顺时针、逆时针方向在偏振非线性Sagnac干涉仪中前进。
偏振非线性Sagnac干涉仪的第二反射镜5至双波长偏振分光棱镜1的外延长线上设有二向色分光镜6，二向色分光镜6的第一侧作为第三端口，45°偏振的平顶高斯型泵浦光经第三端口进入偏振非线性Sagnac干涉仪，经双波长偏振分光棱镜1分解为垂直偏振态泵浦光与水平偏振态泵浦光，垂直、水平偏振态泵浦光分别沿顺时针方向、逆时针方向在偏振非线性Sagnac干涉仪中前进。
在顺时针方向上，水平偏振态信号光与垂直偏振态泵浦光经45°的双波长二分之一波片2交换偏振态，接着经第一反射镜3反射至II型非线性晶体4发生II型倍频，产生的水平偏振态的倍频光作为第一倍频光束；第一倍频光束依次由第二反射镜5反射和双波长偏振分光棱镜1透射后，从双波长偏振分光棱镜1的第二面输出。
在逆时针方向上，垂直偏振态信号光与水平偏振态泵浦光经第二反射镜5反射至II型非线性晶体4发生Ⅱ型倍频，产生的水平偏振态的倍频光经由第一反射镜3反射至45°的双波长二分之一波片2而转换为垂直偏振态的倍频光，作为第二倍频光束；第二倍频光束经双波长偏振分光棱镜1反射后，与第一倍频光束合束从双波长偏振分光棱镜1的第二面输出。
示例性装置
本发明的实施例还提供了一种用于任意矢量光场频率变换的偏振无关倍频装置，该装置的结构如图2所示。
如图2所示，该装置包括双波长偏振分光棱镜1、45°的双波长二分之一波片2、第一反射镜3、II型倍频非线性晶体4、第二反射镜5以及二向色分光镜6。
双波长二分之一波片2设于双波长偏振分光棱镜1与第一反射镜3之间，Ⅱ型倍频非线性晶体4设于第一反射镜3与第二反射镜5之间，使得双波长偏振分光棱镜1、45°的双波长二分之一波片2、第一反射镜3、Ⅱ型倍频非线性晶体4以及第二反射镜5构成偏振非线性Sagnac干涉仪；其中，偏振分光棱镜1、第一反射镜3和第二反射镜5均为覆盖基频光与倍频光的双波长元件。
二向色分光镜6设于第二反射镜5至双波长偏振分光棱镜1的外延长线上。
II型非线性晶体4例如为II型相位匹配倍频晶体。
第一、第二反射镜例如为双波段反射镜，或者，第一、第二反射镜例如可以是能够覆盖基频及倍频波段的金属反射镜。
在本实施例中，将双波长偏振分光棱镜1的第一面作为第一端口。
矢量型信号光束通过上述第一端口进入偏振非线性Sagnac干涉仪，经双波长偏振分光棱镜1分解为水平偏振态信号光与垂直偏振态信号光(透射部分例如是水平偏振态信号光，反射部分例如是垂直偏振态信号光)。
水平偏振态信号光沿第一方向在偏振非线性Sagnac干涉仪中前进，垂直偏振态信号光沿第二方向在偏振非线性Sagnac干涉仪中前进。
在本实施例中，第一方向为顺时针和逆时针中的一个方向，而第二方向则为与第一方向相反的另一个方向。如第一方向为顺时针方向，则第二方向为逆时针方向；若第一方向为逆时针方向，则第二方向为顺时针方向。
此外，在本实施例中，二向色分光镜6的第一侧作为第三端口，而二向色分光镜6的第二侧作为第二端口。
45°偏振的平顶高斯型泵浦光从上述第三端口通过二向色分光镜6(即经二向色分光镜透射)，入射至双波长偏振分光棱镜1的第二面并进入偏振非线性Sagnac干涉仪，由双波长偏振分光棱镜1分解为垂直偏振态泵浦光与水平偏振态泵浦光(反射部分例如是垂直偏振态泵浦光，透射部分例如是水平偏振态泵浦光)，垂直、水平偏振态泵浦光分别沿顺时针方向、逆时针方向在偏振非线性Sagnac干涉仪中前进。
作为示例，本发明实施例中的平顶高斯型泵浦光束所采用的平顶高斯光束由高斯光束经全息衍射元件或空间光调制器变换而来。
在该实施例中，矢量型信号光束与平顶高斯型泵浦光束具有相同的频率，并同时进入偏振非线性Sagnac干涉仪。
在顺时针方向上，水平偏振态信号光与垂直偏振态泵浦光经45°的双波长二分之一波片2交换偏振态，接着经第一反射镜3入射至II型非线性晶体4发生II型倍频，产生的水平偏振态的倍频光作为第一倍频光束；第一倍频光束依次由第二反射镜5反射和双波长偏振分光棱镜1透射后，从双波长偏振分光棱镜1的第二面输出。
在逆时针方向上，垂直偏振态信号光与水平偏振态泵浦光经第二反射镜5入射Ⅱ型非线性晶体4发生II型倍频，产生的水平偏振态的倍频光经由第一反射镜3反射至45°的双波长二分之一波片2，并经双波长二分之一波片2转换为垂直偏振态的倍频光，作为第二倍频光束；第二倍频光束经双波长偏振分光棱镜1反射后，与第一倍频光束合束从双波长偏振分光棱镜1的第二面输出。
从双波长偏振分光棱镜1的第二面输出的合束光束经二向色镜6的第二侧反射后与剩余泵浦光分离。第二端口用于输出转换后的倍频光场。
优选实施例
下面，结合图2-9来描述本发明的用于任意矢量光场频率变换的偏振无关倍频方法及装置的优选实施例。
矢量型信号光束经第一端口进入偏振非线性Sagnac干涉仪，由双波长偏振分光棱镜1分解为水平与垂直偏振两个偏振相关的空间模式，其两种空间模式分别沿顺(逆)时针方向在偏振非线性Sagnac干涉仪中前进。
与此同时，45°偏振的平顶高斯型泵浦光经第三端口、由二向色分光镜6透射后进入偏振非线性Sagnac干涉仪，其中，矢量型信号光束与平顶高斯型泵浦光束具有相同的频率。
在顺时针方向上，水平偏振态信号光与垂直泵浦光偏振态经45°的双波长二分之一波片2交换偏振态，接着经第一反射镜3入射II型非线性晶体4，发生II型倍频，产生水平偏振态的倍频光(即上述第一倍频光)。
与此同时，在逆时针方向上，垂直偏振态信号光与水平泵浦光偏振态经第二反射镜5入射所述II型非线性晶体4，发生II型倍频，产生水平偏振态的倍频光，再经45°的双波长二分之一波片转换为垂直偏振态的倍频光(即上述第二倍频光)。
两种偏振态的倍频光(即上述第一倍频光和第二倍频光)经所述双波长偏振分光棱镜1合束后，通过二向色镜6与剩余泵浦光分离，从第二端口输出转换后的倍频光场。
采用波长为795nm的单纵模激光作为基频光光源。基频光光源的一部分能量用于制备各种矢量信号光，另一部分能量被转换成平顶高斯光束作为泵浦光(如图3)。图3左侧为通过相机获得的平顶高斯光束的实际形貌，右侧为光斑横向截线分布。非线性晶体为II型PPKTP晶体。
以
Figure BDA0002422069770000131
的SOC状态为例，进行偏振无关的频率上转换。该SOC状态通过图4所示的高阶庞加莱球表征。图4中
Figure BDA0002422069770000132
为方便说明，在SOC状态中选取|a>、|b>、|c>、|d>四个状态进行实验，即图4中高阶庞加莱球上的4个灰色方块；图4中的χ表示高阶Stokes空间广义椭篇角。图5所示为选定的四个实验制备的波长为795nm的信号光的空间形貌及其偏振状态示意图，示意图底层为空间形貌，表层椭圆为代表矢量光场偏振状态的偏振椭圆(白色表示右旋圆偏振，灰色表示左旋圆偏振)。图6为经过频率变换后的波长为397nm的倍频光场的空间形貌及其偏振状态。倍频光场在高阶庞加莱球上的坐标如图4中的灰色三角所示。经计算，转换前后的保真度分别为99.97％、96.21％、99.97％、96.21％
最后，以
Figure BDA0002422069770000133
构成的SOC状态为例，进行偏振无关的频率上转换。图7为实验制备的波长为795nm的该SOC状态信号光的空间形貌及其偏振状态。经非线性转换后，倍频光场的近(远)场的空间形貌及其偏振状态如图8左(右)所示。图9为信号光场(灰色填充)、倍频光场的近场(灰色实线)、倍频光场的远场(灰色虚线)的空间形貌的横向截线对比。
通过两个实例可以看出，本发明所设计的装置确实完成了高保真且偏振无关的矢量光场频率变换。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易得到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.用于任意矢量光场频率变换的偏振无关倍频方法，其特征在于，所述偏振无关倍频方法包括：
令矢量型信号光束和平顶高斯型泵浦光束分别从偏振非线性Sagnac干涉仪的双波长偏振分光棱镜(1)的两面输入，以使所述矢量型信号光束与所述平顶高斯型泵浦光束在所述干涉仪的两个方向上均发生II型倍频；
通过所述干涉仪两个方向上的II型倍频所产生的两个频率上转换光束，经所述干涉仪锁相合束后再与剩余泵浦光束分离，以获得所述矢量型信号光束的倍频光束，即实现了与信号光偏振无关的倍频；
所述矢量型信号光束与所述平顶高斯型泵浦光束具有相同的频率，并同时进入所述干涉仪。
2.根据权利要求1所述的偏振无关倍频方法，其特征在于，所述偏振非线性Sagnac干涉仪包括偏振分光棱镜(1)、第一反射镜(3)以及第二反射镜(5)，其中，所述偏振分光棱镜(1)、所述第一反射镜(3)和所述第二反射镜(5)均为覆盖基频光与倍频光的双波长元件；
所述偏振非线性Sagnac干涉仪还包括双波长二分之一波片(2)和Ⅱ型倍频非线性晶体(4)；
其中，双波长二分之一波片(2)设于双波长偏振分光棱镜(1)与第一反射镜(3)之间，Ⅱ型倍频非线性晶体(4)设于第一反射镜(3)与第二反射镜(5)之间。
3.根据权利要求1或2所述的偏振无关倍频方法，其特征在于，所述偏振非线性Sagnac干涉仪的两个方向包括第一和第二方向；
其中，当所述第一方向为顺时针方向时，所述第二方向为逆时针方向；
当所述第一方向为逆时针方向时，所述第二方向为顺时针方向。
4.根据权利要求3所述的偏振无关倍频方法，其特征在于，在所述偏振非线性Sagnac干涉仪内，所述矢量型信号光束的水平偏振分量与所述平顶高斯型泵浦光的垂直分量沿第一方向一起传播，而所述矢量型信号光束的垂直偏振分量与平顶高斯型泵浦光的水平分量沿第二方向一起传播。
5.根据权利要求4所述的偏振无关倍频方法，其特征在于：
双波长偏振分光棱镜(1)的第一面作为第一端口，矢量型信号光束入射经所述第一端口进入所述偏振非线性Sagnac干涉仪，经所述双波长偏振分光棱镜(1)分解为水平偏振态信号光与垂直偏振态信号光，所述水平、垂直偏振态信号光分别沿第一、第二方向在所述偏振非线性Sagnac干涉仪中前进；
所述偏振非线性Sagnac干涉仪的第二反射镜(5)至双波长偏振分光棱镜(1)的外延长线上设有二向色分光镜(6)，二向色分光镜(6)的第一侧作为第三端口，45°偏振的平顶高斯型泵浦光经第三端口进入所述偏振非线性Sagnac干涉仪，经所述双波长偏振分光棱镜(1)分解为垂直偏振态泵浦光与水平偏振态泵浦光，所述垂直、水平偏振态泵浦光分别沿第一、第二方向在所述偏振非线性Sagnac干涉仪中前进；
在第一方向上，所述水平偏振态信号光与所述垂直偏振态泵浦光经设于所述偏振非线性Sagnac干涉仪的双波长偏振分光棱镜(1)与第一反射镜(3)之间的45°的双波长二分之一波片(2)交换偏振态，接着经第一反射镜(3)反射至设于第一反射镜(3)与第二反射镜(5)之间的Ⅱ型非线性晶体(4)发生Ⅱ型倍频，产生的水平偏振态的倍频光作为第一倍频光束；所述第一倍频光束依次由第二反射镜(5)反射和双波长偏振分光棱镜(1)透射后，从双波长偏振分光棱镜(1)的第二面输出；
在第二方向上，所述垂直偏振态信号光与所述水平偏振态泵浦光经所述第二反射镜(5)反射至所述Ⅱ型非线性晶体(4)发生Ⅱ型倍频，产生的水平偏振态的倍频光经由所述第一反射镜(3)反射至45°的双波长二分之一波片(2)而转换为垂直偏振态的倍频光，作为第二倍频光束；所述第二倍频光束经所述双波长偏振分光棱镜(1)反射后，与所述第一倍频光束合束从所述双波长偏振分光棱镜(1)的第二面输出。
6.用于任意矢量光场频率变换的偏振无关倍频装置，其特征在于，所述偏振无关倍频装置包括双波长偏振分光棱镜(1)、45°的双波长二分之一波片(2)、第一反射镜(3)、Ⅱ型倍频非线性晶体(4)、第二反射镜(5)以及二向色分光镜(6)；
所述双波长二分之一波片(2)设于所述双波长偏振分光棱镜(1)与所述第一反射镜(3)之间，所述Ⅱ型倍频非线性晶体(4)设于所述第一反射镜(3)与所述第二反射镜(5)之间，使得所述双波长偏振分光棱镜(1)、45°的双波长二分之一波片(2)、第一反射镜(3)、Ⅱ型倍频非线性晶体(4)以及第二反射镜(5)构成偏振非线性Sagnac干涉仪；其中，所述偏振分光棱镜1、所述第一反射镜3和所述第二反射镜5均为覆盖基频光与倍频光的双波长元件；
所述二向色分光镜(6)设于所述第二反射镜(5)至所述双波长偏振分光棱镜(1)的外延长线上；
矢量型信号光束入射至所述双波长偏振分光棱镜(1)的第一面，所述双波长偏振分光棱镜(1)的所述第一面作为第一端口；所述矢量型信号光束经所述第一端口进入所述偏振非线性Sagnac干涉仪，由所述双波长偏振分光棱镜(1)分解为水平偏振态信号光与垂直偏振态信号光，所述水平、垂直偏振态信号光分别沿第一、第二方向在所述偏振非线性Sagnac干涉仪中前进；
45°偏振的平顶高斯型泵浦光入射至所述二向色分光镜(6)的第一侧，所述二向色分光镜(6)的所述第一侧作为第三端口；所述平顶高斯型泵浦光经所述第三端口由所述二向色分光镜(6)透射，入射至所述双波长偏振分光棱镜(1)的第二面并进入所述偏振非线性Sagnac干涉仪，由所述双波长偏振分光棱镜(1)分解为垂直偏振态泵浦光与水平偏振态泵浦光，所述垂直、水平偏振态泵浦光分别沿第一、第二方向在所述偏振非线性Sagnac干涉仪中前进；
其中，所述矢量型信号光束与所述平顶高斯型泵浦光束具有相同的频率，并同时进入所述偏振非线性Sagnac干涉仪；
在第一方向上，所述水平偏振态信号光与所述垂直偏振态泵浦光经45°的双波长二分之一波片(2)交换偏振态，接着经所述第一反射镜(3)入射至Ⅱ型非线性晶体(4)发生Ⅱ型倍频，产生的水平偏振态的倍频光作为第一倍频光束；所述第一倍频光束依次由所述第二反射镜(5)反射和所述双波长偏振分光棱镜(1)透射后，从所述双波长偏振分光棱镜(1)的第二面输出；
在第二方向上，所述垂直偏振态信号光与所述水平偏振态泵浦光经所述第二反射镜(5)入射所述Ⅱ型非线性晶体(4)发生Ⅱ型倍频，产生的水平偏振态的倍频光经由所述第一反射镜(3)反射至45°的双波长二分之一波片(2)，并经所述双波长二分之一波片(2)转换为垂直偏振态的倍频光，作为第二倍频光束；所述第二倍频光束经所述双波长偏振分光棱镜(1)反射后，与所述第一倍频光束合束从所述双波长偏振分光棱镜(1)的第二面输出；
从所述双波长偏振分光棱镜(1)的第二面输出的合束光束经所述二向色镜(6)的第二侧反射后与剩余泵浦光分离；
所述二向色分光镜(6)的第二侧作为第二端口，用于输出转换后的倍频光场。
7.根据权利要求6所述的偏振无关倍频装置，其特征在于：
所述第一方向为顺时针方向，所述第二方向为逆时针方向；或
所述第一方向为逆时针方向，所述第二方向为顺时针方向。
8.根据权利要求6或7所述的偏振无关倍频装置，其特征在于所述平顶高斯光束由高斯光束经全息衍射元件或空间光调制器变换而来。
9.根据权利要求6或7所述的偏振无关倍频装置，其特征在于所述非线性晶体为Ⅱ型相位匹配倍频晶体。
10.根据权利要求6或7所述的偏振无关倍频装置，其特征在于所述第一、第二反射镜为双波段反射镜，或能否够覆盖基频及倍频波段的金属反射镜。
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