CN114460786A - 单通紧凑型矢量光场频率转换器件及方法 - Google Patents

单通紧凑型矢量光场频率转换器件及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114460786A
CN114460786A CN202210124517.6A CN202210124517A CN114460786A CN 114460786 A CN114460786 A CN 114460786A CN 202210124517 A CN202210124517 A CN 202210124517A CN 114460786 A CN114460786 A CN 114460786A
Authority
CN
China
Prior art keywords
frequency conversion
vector
phase matching
quasi
vector light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210124517.6A
Other languages
English (en)
Inventor
刘海港
郑远林
陈险峰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Jiaotong University
Original Assignee
Shanghai Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Jiaotong University filed Critical Shanghai Jiaotong University
Priority to CN202210124517.6A priority Critical patent/CN114460786A/zh
Publication of CN114460786A publication Critical patent/CN114460786A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/355—Non-linear optics characterised by the materials used
    • G02F1/3551—Crystals

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

一种单通紧凑型矢量光场频率转换器件及方法，包括：双周期结构的一维非线性光子晶体，该非线性光子晶体同时存在两种准相位匹配方式：即oo‑o和ee‑e准相位匹配方式，该双周期结构包括：第一和第二周期性极化结构区域以及两结构之间的相对间距区域。本发明通过设计周期性非线性光子晶体结构，在单个晶体中同时实现矢量光场两种偏振状态的频率转换，无需复杂光路设计，结构简单紧凑稳定，受外界环境影响小，可进一步应用于集成器件中。

Description

单通紧凑型矢量光场频率转换器件及方法
技术领域
本发明涉及的是一种非线性光学中频率转换领域的技术，具体是通过非线性光子晶体周期结构设计来实现矢量光场的频率转换。
背景技术
矢量光场由于其独特的空间偏振分布特性，已广泛应用于光学微操控、光学微加工、光通讯、单分子成像等领域。目前，矢量光场的产生主要通过腔内和腔外两种方式实现，分别称为主动和被动方式。这些研究主要集中在线性光学领域，分别通过腔内谐振腔选模特性和光学衍射元件组合实现矢量光场的产生。矢量光场在非线性中的研究还比较少，尤其非线性频率转换过程高度的偏振敏感特性会导致矢量光场频率转换后重新回到线偏振光。为解决上述问题，研究人员提出通过级联非线性晶体，马赫曾德干涉仪和Signac干涉仪等方法来实现矢量光场到矢量光场之间的频率转换。这些装置均是通过两个非线性晶体或者两次经过非线性晶体分别对两种偏振状态同时频率转换后再合成非线性矢量光场。因此，这些装置都需要各种光学元件相互配合，较为繁琐；同时，两非线性晶体分别频率转换受外界环境影响较大，从而引起系统相位抖动进而影响所产生非线性矢量光场光束质量。因此，研究单通、紧凑型矢量光场频率转换器件对其之后的实际应用至关重要。
发明内容
本发明针对现有矢量光场频率转换系统的光路复杂、光学元件繁多以及受外界环境影响大等缺陷，提出一种单通紧凑型矢量光场频率转换器件及方法，通过设计周期性非线性光子晶体结构，在单个晶体中同时实现矢量光场两种偏振状态的频率转换，无需复杂光路设计，结构简单紧凑稳定，受外界环境影响小，可进一步应用于集成器件中。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种单通紧凑型矢量光场频率转换器件，包括：双周期结构的一维非线性光子晶体，该非线性光子晶体同时存在两种准相位匹配方式：即oo-o和ee-e准相位匹配方式。
所述的双周期结构包括：第一和第二周期性极化结构区域以及两结构之间的相对间距区域。
所述的双周期设计，对应oo-o和ee-e准相位匹配方式分别设计周期结构，可分开前后放在周期非线性光子晶体中。
所述的双周期设计，其两种周期的相对位置需经过特殊设计，保证对两偏振分量频率转换后的相对相位为0，具体根据所采用方式灵活设计。
所述的矢量光场频率转换是指：当矢量光场
Figure BDA0003499834710000021
经过所述非线性光子晶体后，产生倍频矢量光
Figure BDA0003499834710000022
如图2所示。其中：m，
Figure BDA0003499834710000023
和
Figure BDA0003499834710000024
分别表示矢量光场拓扑荷数，方位角和初始相位。在和频过程中，引入频率为ω2的45°线偏振光，ω1和ω2两路光经过所述非线性光子晶体和频后，最终产生与入射矢量光场相同偏振分布的和频矢量光
Figure BDA0003499834710000025
技术效果
本发明基于非线性光子晶体双周期设计，分别完成横向偏振光和竖直偏振光的频率转换，最终实现单通、紧凑型矢量光场频率转换器件。相较于之前通过复杂光路设计方法完成矢量光场频率转换，本发明无需复杂光路设计；由于矢量光场一次通过就可以实现频率转换，因此结构简单紧凑稳定，受外界环境影响小，可进一步应用于集成器件中。
附图说明
图1为本发明单通、紧凑型矢量光场频率转换器件侧视示意图。
图2为本发明器件在倍频过程实验测试及结果预测示意图；
图3为本发明器件在和频过程实验测试及结果预测示意图。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及一种单通紧凑型矢量光场频率转换器件，包括：第一周期性极化结构区域1、第二周期性极化结构区域2以及两结构之间的相对间距区域3。
所述的矢量光场频率转换器件的基底为铁电非线性晶体，以实现周期性极化来满足准相位匹配。
所述的铁电非线性晶体，需存在非线性系数同时满足oo-o和ee-e准位相匹配形式。
所述的第一周期性极化结构区域1的长度为L1，由若干周期结构a循环组成，该周期结构a的占空比为D1＝a1/a。
所述的第二周期性极化结构区域2的长度为L2，由若干周期结构b循环组成，该结构周期b的占空比为D2＝b1/b，
所述的相对间距区域3的长度为L3，其结构大小需保证两非线性过程所产生的非线性谐波相对相位为0。
在准相位匹配二次谐波倍频产生过程中，谐波强度
Figure BDA0003499834710000026
其中：ω为入射基频光频率，nω和n2ω为基频光和倍频光在铌酸锂晶体中的折射率，c为光速，ε0为真空介电常数，dij为有效非线性系数，Iω为入射基频光强度；L为周期性结构长度，周期型结构对应傅里叶展开系数Cm＝[2sin(mπD)]/mπ，m和D分别表示所用倒格矢阶数和结构的占空比。
所述的第一周期性极化结构区域1的长度和第二周期性极化结构区域2的长度满足
Figure BDA0003499834710000031
Figure BDA0003499834710000032
其中：周期性极化铌酸锂结构中，满足oo-o相位匹配形式所用到的非线性系数为d16，准相位匹配对应第m级；满足ee-e相位匹配形式所用到的非线性系数为d33，准相位匹配对应第n级。
通过适当调整相对间距区域3的长度L3使得两个相位匹配产生的二次谐波相对相位为0。
本实施例中，具体对于1064nm到532nm频率转换来说，采用m＝n＝3级准位相匹配，占空比选为D1＝D2＝0.5，计算可得周期a＝18μm，b＝21μm，长度L1＝1mm，L2＝9.7mm。
经过具体实际实验，根据以上参数制作非线性光子晶体，波长为1064nm矢量光场入射到该非线性光子晶体后，产生波长为532nm的倍频矢量光场，利用偏振片对其偏振态测量，可以验证其矢量特性。如图2所示，为本发明实验测试装置及结果预测示意图。
与现有技术相比，本装置相较于现有矢量光场频率转换技术，本发明无需搭建复杂光路，具有结构简单紧凑，稳定性好，效率高，集成化等特点。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (3)

1.一种单通紧凑型矢量光场频率转换器件，其特征在于，包括：双周期结构的一维非线性光子晶体，该非线性光子晶体同时存在两种准相位匹配方式：即o-oo和e-ee准相位匹配方式；
所述的双周期结构包括：第一和第二周期性极化结构区域以及两结构之间的相对间距区域。
2.根据权利要求1所述的单通紧凑型矢量光场频率转换器件，其特征是，所述的第一和第二周期性极化结构区域的长度满足
Figure FDA0003499834700000011
其中：周期性极化铌酸锂结构中，满足o-oo相位匹配形式所用到的非线性系数为d16，准相位匹配对应第m级；满足e-ee相位匹配形式所用到的非线性系数为d33，准相位匹配对应第n级。
3.根据权利要求1所述的单通紧凑型矢量光场频率转换器件，其特征是，所述的矢量光场频率转换是指：当矢量光场
Figure FDA0003499834700000012
经过所述非线性光子晶体后，产生倍频矢量光
Figure FDA0003499834700000013
其中：m，
Figure FDA0003499834700000014
和
Figure FDA0003499834700000015
分别表示矢量光场拓扑荷数，方位角和初始相位，在和频过程中，引入频率为ω2的45°线偏振光，最终产生与入射矢量光场相同偏振分布的和频矢量光
Figure FDA0003499834700000016
Figure FDA0003499834700000017
CN202210124517.6A 2022-02-10 2022-02-10 单通紧凑型矢量光场频率转换器件及方法 Pending CN114460786A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210124517.6A CN114460786A (zh) 2022-02-10 2022-02-10 单通紧凑型矢量光场频率转换器件及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210124517.6A CN114460786A (zh) 2022-02-10 2022-02-10 单通紧凑型矢量光场频率转换器件及方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114460786A true CN114460786A (zh) 2022-05-10

Family

ID=81412863

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210124517.6A Pending CN114460786A (zh) 2022-02-10 2022-02-10 单通紧凑型矢量光场频率转换器件及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114460786A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7339718B1 (en) Generation of terahertz radiation in orientation-patterned semiconductors
Chen et al. Self-trapping of an optical vortex by use of the bulk photovoltaic effect
US4236785A (en) Non linear thin layer optical device
US8149494B1 (en) Two-photon absorption switch having which-path exclusion and monolithic mach-zehnder interferometer
US5787102A (en) Light generating device and method using a periodically structured non-linear material and orthogonal optical interaction
JP2011257559A (ja) 波長変換素子
Ren et al. Roadmap on nonlinear optics–focus on Chinese research
CN114460786A (zh) 单通紧凑型矢量光场频率转换器件及方法
Wu et al. Periodically poled nonlinear photonic crystal KTa0. 51Nb0. 49O3 combining wide transparent range and large quadratic coefficient
JPH06110095A (ja) ミリ波・サブミリ波発生方法ならびにその装置
WO2008083445A1 (en) Optical analysis system and method
Liu et al. The manipulation of second-order nonlinear harmonic wave by structured material and structured light
Saltiel et al. Generation of second-harmonic bessel beams by transverse phase-matching in annular periodically poled structures
Singer et al. Organic Materials for Second-Order Nonlinear Optical Devices
Canalias et al. Periodic poling of KTiOPO4: from micrometer to sub-micrometer domain gratings
CN112436372B (zh) 一种全光光参量振荡器
Heinze Generation and application of squeezed states of light in higher-order spatial laser modes
RU2811419C2 (ru) Нелинейный оптический элемент с квазинепрерывной схемой и способ его изготовления
WO2024084707A1 (ja) 波長変換素子の製造方法
JP2018040980A (ja) 波長変換素子及び波長変換光パルス波形整形装置
Saerens From classical to quantum nonlinear photonics with GaAs nanostructures
Wang Second harmonic generation in disordered nonlinear crystals: application to ultra-short laser pulse characterization
Peng et al. Broad multiwavelength second-harmonic generation from two-dimensional/spl chi//sup (2)/nonlinear photonic crystals of tetragonal lattice structure
Jele Engineering optical lattices in k-space
US20050195473A1 (en) Selective amplification and/or filtering of frequency bands via nonlinear optical frequency conversion in aperiodic engineered materials

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination