CN113031289A - 一种传播不变结构光场的非线性全息产生方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种传播不变结构光场的非线性全息产生方法及装置，属于光学领域，目的是为了解决基于线性过程产生的结构光场频谱带宽受限、以及基于非线性过程产生结构光场存在强度依赖性的问题。所述方法包括：使用全息调制方法将高斯型泵浦光束调制为具有与倍频阶数相关的空间模式的基频光束；使基频光束经过成像单元后单向入射至k倍频晶体中；对从k倍频晶体出射的光束进行分离，获得具有传播不变结构光场的频率上转换光束。所述装置中，调制器将高斯型泵浦光束调制成具有与倍频阶数相关的空间模式的基频光束；基频光束经过成像单元后单向入射至k倍频晶体中；分离元件对从k倍频晶体出射的光束进行分离，获得具有传播不变结构光场的频率上转换光束。

Description

一种传播不变结构光场的非线性全息产生方法及装置
技术领域
本发明涉及传播不变结构光场的产生技术，属于光学领域。
背景技术
空间结构光场是指相较于一般高斯光束，具有独特空间强度与相位分布的一系列光场，其独特的光场分布与光学特性使结构光场在光镊、粒子操控、光学成像、超分辨、量子通信等领域具有广泛的应用。在此背景下，人们对于结构光场的产生和调控提出了诸如螺旋相位板、q波片、全息叉型光栅等许多新颖的线性光场产生、调控技术。
自1961年，光学非线性现象被发现以来，其独特的频率转换功能在紫外光源产生和上转换检测/成像等方面已引起广泛关注。上世纪末，光场轨道角动量的发现，更是让结构光场的非线性相互作用以及该作用过程中的轨道角动量传输成为该领域目前的研究热点(2020年《Physical review A》第101卷第043821页发表的《Chiral relations andradial-angular coupling in nonlinear interactions of optical vortices》、2020年《Physical review A》第101卷第063805页发表的《Radial modal transitions ofLaguerre-Gauss modes during parametric up-conversion:Towards the full-fieldselection rule of spatial modes》和2020年《Journal of the Optical Society ofAmerica B》第37卷第10期2815-2821页发表的《Mixing Ince–Gaussian modes throughsum-frequency generation》)。然而，以上研究虽然对结构光场的二阶非线性过程进行了探索并详细研究了该过程中的空间模式选择定则，但是由于非线性过程强度依赖性所造成的径向模式简并，其输出结构光场的振幅与相位分布相较于输入信号发生了剧烈变化，不再是标准的传播不变结构光场。需要注意的是，虽然人们开发出了大量基于线性过程的光场调控技术，用以产生各种模式不同的结构光场，但是这些技术大多集中于可见光(400nm-750nm)或通信波段(1550nm波段)，频谱带宽是受限的，而利用非线性过程作为光学频率转换器时又受限于其强度依赖性，无法产生传播不变的结构光场。
发明内容
本发明的目的是为了解决基于线性过程产生的结构光场频谱带宽受限、以及基于非线性过程产生结构光场存在强度依赖性的问题，提供一种传播不变结构光场的非线性全息产生方法及装置。
本发明的一种传播不变结构光场的非线性全息产生方法包括：
使用全息调制方法将高斯型泵浦光束调制为具有与倍频阶数相关的空间模式的基频光束，所述基频光束的光场表达式为：
Figure BDA0002955376000000021
其中，
Figure BDA0002955376000000022
为基频光场，k为整数，且k≥2，
Figure BDA0002955376000000023
为将要获得的传播不变结构光场；
使所述基频光束经过成像单元后单向入射至k倍频晶体中；
对从所述k倍频晶体出射的光束进行分离，获得具有传播不变结构光场的频率上转换光束。
可选地，所述的使用全息调制方法将高斯型泵浦光束调制为具有与倍频阶数相关的空间模式的基频光束包括：
使用空间光调制器、数字微镜、计算全息光栅、或q波片将高斯型泵浦光束调制为具有与倍频阶数相关的空间模式的基频光束。
可选地，所述的成像单元为4f成像系统。
可选地，所述的对从所述k倍频晶体出射的光束进行分离包括：
采用二向色镜对从所述k倍频晶体出射的光束进行分离。
本发明的一种传播不变结构光场的非线性全息产生装置包括调制器、成像单元、k倍频晶体、以及光束分离元件；
所述调制器用于将高斯型泵浦光束调制成具有与倍频阶数相关的空间模式的基频光束，所述基频光束的光场表达式为：
Figure BDA0002955376000000024
其中，
Figure BDA0002955376000000025
为基频光场，k为整数，且k≥2，
Figure BDA0002955376000000026
为将要获得的传播不变结构光场；
所述基频光束经过成像单元后单向入射至k倍频晶体中；
从所述k倍频晶体出射的光束经过光束分离元件后分为基频光束与具有传播不变结构光场的频率上转换光束。
可选地，所述的调制器为空间光调制器、数字微镜、计算全息光栅或q波片。
可选地，所述的成像单元为4f成像系统。
可选地，所述的光束分离元件为二向色镜。
本发明为传播不变结构光场的产生提供了一种非线性产生方法，规避了非线性过程中的强度依赖性，并且具有较高的模式纯度，至少能够获得波长为100-400nm的传播不变结构光场，为近紫外到极紫外波段结构光场的高纯度产生提供了一条有效的解决方案。
附图说明
图1为具体实施方式中的一种传播不变结构光场的非线性全息产生装置的结构示意图；
图2为具体实施方式中波长为1064nm的拉盖尔-高斯模式基频光束的光场空间强度与相位分布理论示意图，其中，(a)为光场横向强度分布示意图，(b)为光场横向相位分布示意图；
图3为具体实施方式中波长为1064nm的因斯-高斯模式基频光束的光场空间强度与相位分布理论示意图，(a)为光场横向强度分布示意图，(b)为光场横向相位分布示意图；
图4为具体实施方式中波长为1064nm的厄米-高斯模式基频光束的光场空间强度与相位分布理论示意图，(a)为光场横向强度分布示意图，(b)为光场横向相位分布示意图；
图5为图2所示的基频光束经过倍频后的光场空间强度与相位分布理论示意图，(a)为光场横向强度分布示意图，(b)为光场横向相位分布示意图；
图6为图3所示的基频光束经过倍频后的光场空间强度与相位分布理论示意图，(a)为光场横向强度分布示意图，(b)为光场横向相位分布示意图；
图7为图4所示的基频光束经过倍频后的光场空间强度与相位分布理论示意图，(a)为光场横向强度分布示意图，(b)为光场横向相位分布示意图；
图8为波长为1064nm的基频光束经过倍频后实验观测到的波长为532nm的倍频光场的空间形貌(即光场横向强度)，其中，(a)对应图2所示的基频光束，(b)对应图3所示的基频光束，(c)对应图4所示的基频光束；
图9为图5所示光场与图8(a)所示光场的空间形貌横向截线对比示意图；
图10为图6所示光场与图8(b)所示光场的空间形貌横向截线对比示意图；
图11为图7所示光场与图8(c)所示光场的空间形貌横向截线对比示意图；
图9至图11中，横坐标表示r/w，即实际横向距离相对于光场束腰的倍数，纵坐标表示归一化强度。
具体实施方式
本实施方式提供了一种传播不变结构光场的非线性全息产生方法，所述方法一般性地可以包括：
步骤S1、使用全息调制方法将高斯型泵浦光束调制为具有与倍频阶数相关的空间模式的基频光束，具体可采用空间光调制器、数字微镜、计算全息光栅或q波片进行调制，所述基频光束的光场表达式为：
Figure BDA0002955376000000041
其中，
Figure BDA0002955376000000042
为基频光场，k为整数，且k≥2，
Figure BDA0002955376000000043
为将要获得的传播不变结构光场；
步骤S2、使所述基频光束经过成像单元后单向入射至k倍频晶体中，所述的成像单元可采用4f成像系统；
步骤S3、采用二向色镜对从所述k倍频晶体出射的光束进行分离，获得具有传播不变结构光场的频率上转换光束。
所述的传播不变结构光场的非线性全息产生方法的原理如下：
任意结构光场的复振幅可以分为振幅与相位两个部分，因此，结构光场可以描述为：
Figure BDA0002955376000000044
式中，ω表示光场角频率；r、
Figure BDA0002955376000000045
和z为柱坐标系下的坐标，
Figure BDA0002955376000000046
与
Figure BDA0002955376000000047
代表光场空间变化的振幅与相位分布。单色准直泵浦光场在相位匹配条件下的k次倍频过程可以认为是泵浦光场在非线性晶体中的多次拍频过程，即倍频光场正比于泵浦光场的k次方：Ekω∝(Eω)k，更具体的说，倍频光场可以描述为：
Figure BDA0002955376000000048
式中，κ代表非线性耦合系数。
常规的倍频过程中，基频光场
Figure BDA0002955376000000049
被预设为标准的传播不变结构光场，从而研究基频光场到倍频光场之间传输变换关系。正常情况下，
Figure BDA00029553760000000410
虽然也可以认为是一种结构光场，但传播不变的特性却无法得到保持。本实施方式则对这一过程进行逆向思考，首先预设倍频场
Figure BDA00029553760000000411
是一种传播不变的空间模式。那么，为了在k倍频过程中产生这一模式，基频光场便可以表述为：
Figure BDA00029553760000000412
如式(3)所示，基频光场虽然不再是传播不变的空间模式，但却可以通过倍频过程获得传播不变的频率上转换光束，即倍频光束。因而，只要利用全息方法获得式(3)所示的空间模式的光场，并使其入射至k倍频的非线性晶体，即可实现传播不变结构光场的产生。
如图2所示，本实施方式还提供了一种传播不变结构光场的非线性全息产生装置，所述装置一般性地可以包括调制器1、成像单元、k倍频晶体4、以及光束分离元件5；
所述调制器用于将高斯型泵浦光束调制成具有与倍频阶数相关的空间模式的基频光束，所述基频光束的光场表达式为：
Figure BDA0002955376000000051
其中，
Figure BDA0002955376000000052
为基频光场，k为整数，且k≥2，
Figure BDA0002955376000000053
为将要获得的传播不变结构光场；
所述基频光束经过成像单元后单向入射至k倍频晶体4中，发生倍频过程，产生倍频光束(即频率上转换光束)；
从所述k倍频晶体4出射的光束包括倍频光束和基频光束，二者经过光束分离元件5后分开，得到纯净的具有传播不变结构光场的频率上转换光束。
所述的调制器1可以是空间光调制器、数字微镜、计算全息光栅或q波片。
所述的成像单元可以是由第一透镜2和第二透镜3组成的4f成像系统。
所述的光束分离元件5可以是二向色镜。
上述传播不变结构光场的非线性全息产生装置与上述传播不变结构光场的非线性全息产生装方法的原理相同。
本实施方式采用波长为1064nm的单纵模激光作为光源，所述的单纵模激光为高斯光束，从单模光纤出射并进行准直，采用准直后的单纵模激光作为泵浦光。非线性晶体采用二型KTP倍频晶体。
以拉盖尔-高斯(LG)模式、因斯-高斯(IG)模式、以及厄米-高斯(HG)模式为例，利用倍频过程验证本实施方式提出的传播不变结构光场的非线性全息产生过程。以
Figure BDA0002955376000000054
表示LG模式，l表示角向指数，p表示径向指数，其空间阶数N＝2p+|l|；
Figure BDA0002955376000000055
表示IG模式，其中N与d分别表示因斯多项式的阶数与维度，N同样表示该模式空间阶数，o与e分别代指该模式的奇模与偶模；HGmn表示HG模式，m表示横向指数，n表示纵向指数，其空间阶数N＝m+n。
为不失一般性，本实例中选取N＝2的
Figure BDA0002955376000000061
模式、N＝3且椭圆率为2的偶模的
Figure BDA0002955376000000062
模式与N＝4的HG22模式为非线性产生的目标光束。入射倍频晶体的三种基频结构光场空间强度与相位分布理论示意图分别如图2
Figure BDA0002955376000000063
图3
Figure BDA0002955376000000064
和图4
Figure BDA0002955376000000065
所示。完成倍频后，倍频光场空间强度与相位分布理论示意图分别如图5至图7所示。图8为倍频后的实验观测到的波长为532nm的三种倍频光场的空间形貌。
图9至图11则为532nm的三种结构光场理论预测(灰色填充)与实验观测(黑色实线)的空间形貌横向截线对比。
如果对上述1064nm的激光进行五倍频，则可以获得波长为213nm的近紫外波段激光。
通过三个实例可以看出，本发明所设计的方法确实完成了高模式纯度的传播不变结构光场的非线性全息产生。

Claims (8)

1.一种传播不变结构光场的非线性全息产生方法，其特征在于，包括：
使用全息调制方法将高斯型泵浦光束调制为具有与倍频阶数相关的空间模式的基频光束，所述基频光束的光场表达式为：
Figure FDA0002955375990000011
其中，
Figure FDA0002955375990000012
为基频光场，k为整数，且k≥2，
Figure FDA0002955375990000013
为将要获得的传播不变结构光场；
使所述基频光束经过成像单元后单向入射至k倍频晶体中；
对从所述k倍频晶体出射的光束进行分离，获得具有传播不变结构光场的频率上转换光束。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的使用全息调制方法将高斯型泵浦光束调制为具有与倍频阶数相关的空间模式的基频光束包括：
使用空间光调制器、数字微镜、计算全息光栅、或q波片将高斯型泵浦光束调制为具有与倍频阶数相关的空间模式的基频光束。
3.根据权利要求1或2述的方法，其特征在于，所述的成像单元为4f成像系统。
4.根据权利要求1或2述的方法，其特征在于，所述的对从所述k倍频晶体出射的光束进行分离包括：
采用二向色镜对从所述k倍频晶体出射的光束进行分离。
5.一种传播不变结构光场的非线性全息产生装置，其特征在于，包括调制器、成像单元、k倍频晶体、以及光束分离元件；
所述调制器用于将高斯型泵浦光束调制成具有与倍频阶数相关的空间模式的基频光束，所述基频光束的光场表达式为：
Figure FDA0002955375990000014
其中，
Figure FDA0002955375990000015
为基频光场，k为整数，且k≥2，
Figure FDA0002955375990000016
为将要获得的传播不变结构光场；
所述基频光束经过成像单元后单向入射至k倍频晶体中；
从所述k倍频晶体出射的光束经过光束分离元件后分为基频光束与具有传播不变结构光场的频率上转换光束。
6.根据权利要求5所述的方装置，其特征在于，所述的调制器为空间光调制器、数字微镜、计算全息光栅或q波片。
7.根据权利要求5或6述的装置，其特征在于，所述的成像单元为4f成像系统。
8.根据权利要求5或6述的装置，其特征在于，所述的光束分离元件为二向色镜。
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