南京大學(xué)物理學(xué)院王慧田-汪喜林研究組在空間結(jié)構(gòu)光場非線性調(diào)控方面取得重要進(jìn)展。在前期矢量光場直接三次諧波產(chǎn)生研究基礎(chǔ)上，近日，首次觀察到旋轉(zhuǎn)多普勒頻移的非線性三倍頻效應(yīng)。這為頻移的精確測量提供了一條新的有效途徑，也有助于激發(fā)更多空間結(jié)構(gòu)光場非線性調(diào)控的研究。 N!v>2"x8q  
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空間結(jié)構(gòu)光場是指光的偏振、位相、振幅等自由度具有空間分布的光場。在空域?qū)�光的各自由度進(jìn)行主動調(diào)控，不僅創(chuàng)建了各類新型光場，而且發(fā)現(xiàn)了一系列新現(xiàn)象和新效應(yīng)，進(jìn)而發(fā)展了新技術(shù)并催生了新應(yīng)用，使光場調(diào)控成為國際前沿?zé)狳c(diǎn)領(lǐng)域之一�？臻g結(jié)構(gòu)光場經(jīng)過多年的蓬勃發(fā)展，在生成、調(diào)控及應(yīng)用等方面均取得了重大進(jìn)展，尤其是在生成方面，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段已能創(chuàng)建種類豐富的空間結(jié)構(gòu)光場。然而，在其非線性調(diào)控方面，尚存諸多挑戰(zhàn)，特別是三階以及更高階非線性效應(yīng)的調(diào)控。 s2 aFme  
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為實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜空間偏振態(tài)分布的空間結(jié)構(gòu)光場的非線性調(diào)控，通常需要建立兩個(gè)正交偏振通道。為此，研究組獨(dú)辟蹊徑，提出并構(gòu)建了環(huán)形非線性干涉儀，其順時(shí)針和逆時(shí)針環(huán)路分別為正交偏振提供了非線性轉(zhuǎn)換通道。實(shí)現(xiàn)空間結(jié)構(gòu)光場的三階非線性調(diào)控的另一挑戰(zhàn)，就是提高非線性干涉儀的穩(wěn)定性。為此，研究組僅使用單一準(zhǔn)周期準(zhǔn)位相匹配非線性晶體，如圖1(a)所示，同時(shí)滿足兩個(gè)位相匹配條件，以支持相應(yīng)的基頻光的倍頻以及基頻光與倍頻光的和頻非線性過程，實(shí)現(xiàn)一個(gè)偏振分量基頻光的三次諧波產(chǎn)生。在此基礎(chǔ)上，利用如圖1(b)所示的環(huán)形非線性干涉儀，實(shí)現(xiàn)了具有正交偏振分量的空間結(jié)構(gòu)光場的三次諧波產(chǎn)生。相關(guān)成果以"Third-harmonic generation of spatially structured light in a quasi-periodically poled crystal"為題發(fā)表在美國光學(xué)學(xué)會期刊《Optica》上[Optica 9, 183 (2022)]。 -cZuP7oA  
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空間結(jié)構(gòu)光場的三次諧波產(chǎn)生為更多非線性調(diào)控的研究提供了新的契機(jī)，例如旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)是十分常見的現(xiàn)象，即當(dāng)移動的波源接近或遠(yuǎn)離觀察者時(shí)，其頻率會升高或降低，此乃線性多普勒效應(yīng)。該效應(yīng)的一個(gè)"角向"版本，即旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)，則指當(dāng)波通過旋轉(zhuǎn)物體且其角動量發(fā)生改變時(shí)發(fā)生的頻移現(xiàn)象。對于光波而言，圓偏振光通過半波片或q-板，其角動量將發(fā)生變化，因此可通過旋轉(zhuǎn)此類光學(xué)元件引入多普勒頻移。如圖2(a)和(b)所示，進(jìn)一步，將頻移的基頻光實(shí)現(xiàn)三倍頻，則可以在上轉(zhuǎn)換光中觀察到多普勒頻移的三倍轉(zhuǎn)換，如圖2(c)所示。 /z)8k4  
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如何在實(shí)驗(yàn)上測量頻移是該研究面臨的真正挑戰(zhàn)。對旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)，通常采用拍頻的方法測量頻移，即通過兩束頻率不同的光產(chǎn)生的拍頻信號來讀取頻移。為測得非線性上轉(zhuǎn)換光場的頻移，研究組構(gòu)建了正交偏振分量攜帶相反頻移的空間結(jié)構(gòu)基頻光場；并利用之前發(fā)展的正交偏振雙通道環(huán)形非線性干涉儀，產(chǎn)生了相應(yīng)空間結(jié)構(gòu)光場的三次諧波，從獲得的拍頻信號順利讀取了非線性轉(zhuǎn)換后的頻移信號。實(shí)驗(yàn)測得的基頻光和三倍頻光的旋轉(zhuǎn)多普勒頻移如圖3所示，可以清晰看到旋轉(zhuǎn)多普勒頻移在非線性過程中的三倍轉(zhuǎn)換關(guān)系。相關(guān)成果以"Rotational Doppler shift tripling via third-harmonic generation of spatially structured light in a quasi-periodically poled crystal"為題發(fā)表在美國光學(xué)學(xué)會期刊《Optica》上[Optica 10, 20 (2023)]。 o@} qPvt0  
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南京大學(xué)物理學(xué)院博士研究生婁嚴(yán)超和程子默分別為上述兩篇論文的第一作者，王慧田和汪喜林教授為共同通訊作者。上述兩項(xiàng)研究工作得到了固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和南京微結(jié)構(gòu)協(xié)同創(chuàng)新中心的支持，得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、江蘇省"雙創(chuàng)人才"和廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等的資助。 b+CvA(*  
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論文鏈接： "68=dC  
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在準(zhǔn)周期極化非線性晶體中空間結(jié)構(gòu)光場的三次諧波產(chǎn)生 ::/vDUDc  
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https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-9-2-183&id=469072 gJ$m'kC;  
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基于三次諧波產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)多普勒的三倍頻移 z