周期极化晶体中涡旋光与散射光的非线性调控

发布时间：2020-04-22 11:03

【摘要】：近年来,涡旋光引起了研究者们的广泛关注,这是由于其携带的光子轨道角动量可以被广泛应用于粒子捕获及操控、成像、天文观测、转速探测、量子通讯等领域。不同的应用对于涡旋光的频率提出了不同的要求,所以拓展涡旋光输出频率是其实际应用的前提。基于准相位匹配机制,具有周期畴结构分布的非线性光子晶体可以对光频率进行高效的转换,可以应用于涡旋光的频率调控。然而,作为一种高阶空间模式,涡旋光的准相位匹配非线性过程与基模高斯光有明显的区别:涡旋光束携带的轨道角动量在非线性频率转换过程中同样会发生变化。本文主要基于不同结构的非线性光子晶体中的倍频、三倍频过程,在实验上实现了对涡旋光的频率调控;理论上将平面波三波耦合方程拓展至含交叠积分的高阶模式耦合方程,基于此研究了涡旋光的参量放大过程;此外,还拓展研究了散射光参与的级联准相位匹配过程。主要研究成果如下:(1)利用一维级联周期极化晶体和准周期极化晶体,研究了涡旋光束的准相位匹配倍频、三倍频过程,验证了轨道角动量守恒定律。利用拓扑电荷为3的基波涡旋光,能得到拓扑电荷数可以达到6和9的倍频、三倍频涡旋光。在准周期性极化样品中,当入射基波能量为7 mJ时,所得到倍频涡旋光效率能达到10%以上,三倍频效率能达到1%。这种方法可以实现大拓扑电荷数、短波长的涡旋光输出,拓展其工作范围。(2)利用二维周期性极化非线性晶体,研究了轨道角动量光束倍频复制。利用一块极化周期为5.5μm的四角点阵非线性晶体,在基波波长分别为945 nm,926 nm和906 nm时,利用不同阶数的倒格矢,可以同时得到多个倍频涡旋光束输出。(3)发展了一种利用单柱透镜测量高阶拉盖尔高斯模式的简单方法,并且利用这种方法实验研究了高阶拉盖尔—高斯光束在准相位匹配倍频过程中径向量子数、角向量子数的变化规律,即角向量子数和径向量子数都出现了高阶(翻倍)成份。(4)我们利用耦合波方程对于涡旋光束的光参量放大过程进行研究。基于高阶模式三波耦合方程,计算出了空间模式交叠积分的解析解;以光参量放大过程为例,提出了对拉盖尔—高斯模式(径向量子数为0,角向量子数为1)进行光参量放大的最优方案,在实现高增益的同时可保证模式纯度。(5)首次在二维非线性光子晶体体系下实验观测到散射光参与的锥形三倍频信号。由于晶体中畴界、缺陷的存在,产生了方向随机分布的散射基波光。我们实验验证了散射光可以参与到级联准相位匹配三倍频过程中,得到了锥形分布的三倍频信号。该结果拓展了散射光参与的准相位匹配机制,是一种新的产生短波长锥形光束的方法。
【图文】：

相位分布,模式,强度,整表示

种最基本的涡旋光，其电场表达式如下所示：逡逑Ｅ（ｒ，０）邋＝逦ｅｘｐ（－＾Ｔ）ｅｘｐ（；７？）ｅｘｐ（－／７＾）Ｗ逦的广逡逑项ｅｘｐ（－＃）的存在，环形涡旋光束具有相位奇异点，中心斯（Ｌａｇｕｅｒｒｅ－Ｇａｕｓｓｉａｎ，ＬＧ）光束［２１逡逑，拉盖尔高斯模式是麦克斯韦方程组的一组正交基底。柱下所示：逡逑Ｅ（ｘ，ｙ）邋＝邋Ｅ／－ｒ２，＾ｅ－ｉｌｖ（－＼ｒ（ｒｙｆ２邋／邋ｗ）１邋ｌ！ｐ｛２ｒ２邋／邋ｗ２）＾，，ｐ邋＝邋ａｒＣｔａｎ（．ｖＡ）为径向量子数，可以取所有的非负整表示光束束腰。可以发现ＬＧ模式中的角向量子数恰恰拓扑电荷数的概念。逡逑

柱透镜,模式转换器,光产生,涡旋

第一章绪论逡逑如图１．１所示，我们根据ＬＧ模式的电场表达式得到了不同的径向量子数与角逡逑向量子数的ＬＧ光束的光斑的光强以及相位分布（不失一般性，数值均归一化），逡逑可以发现，从光强分布上看，角向量子数／与光斑中心暗核的大小有关，径向量子逡逑数决定了光强径向分布，径向量子数为的ＬＧ模式具有（ｐ＋７）个同心环光强分布。逡逑从相位上看，角向量子数决定了一个周期内相位从0变到２ｔｉ的次数，而的逡逑ＬＧ模式不同环之间相位相差７Ｔ。逡逑除此外，常见的涡旋光束还包括马休光束Ｐ，３８］、贝塞尔－高斯光束［３９￣４（）］等，但逡逑是本论文不涉及此方面内容，故不在此赘述。逡逑１．１．２涡旋光的产生逡逑常见的涡旋光产生方法包括柱透镜模式转换器［４Ｍ３］、计算全息法［４Ｍ５］、空间逡逑光调制器［４６，４７］、螺旋相位板［４８＇５（）］等。逡逑ＨＧｏｉ邋｜逦爪邋一邋＋２逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑Ａ逦ｉ逡逑Ｓｐｉｒａｌ邋Ｐｈａｓｅ邋Ｐｌａｔｅ逡逑（ｃ）逦（ｄ）逡逑图１．２常见的涡旋光产生方式逡逑柱透镜？ｒ／２模式转换器（７Ｔ／２邋ｍｏｄｅ邋ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）由一对距离为万／邋（／代表柱透镜焦逡逑距）柱透镜构成
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O734

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