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南京大學(xué)在空間結(jié)構(gòu)光場(chǎng)非線性調(diào)控方面取得進(jìn)展 空間結(jié)構(gòu)光場(chǎng)是指光的偏振、位相、振幅等自由度具有空間分布的光場(chǎng)。在空域?qū)獾母髯杂啥冗M(jìn)行主動(dòng)調(diào)控，不僅創(chuàng)建了各類新型光場(chǎng)，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(chǎng)調(diào)控成為國(guó)際前沿?zé)狳c(diǎn)領(lǐng)域之一�？臻g結(jié)構(gòu)光場(chǎng)經(jīng)過(guò)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(chǎng)。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。 為實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜空間偏振態(tài)分布的空間結(jié)構(gòu)光場(chǎng)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(chǎng)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(guò)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(chǎng)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(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)期刊《Optica》上[Optica 9, 183 (2022)]。  圖1.空間結(jié)構(gòu)光場(chǎng)的三次諧波產(chǎn)生。(a)單塊準(zhǔn)周期準(zhǔn)位相匹配晶體實(shí)現(xiàn)單一偏振分量基波光的三次諧波產(chǎn)生；(b)具有正交偏振雙通道的環(huán)形非線性干涉儀。 空間結(jié)構(gòu)光場(chǎng)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(jiàn)的現(xiàn)象，即當(dāng)移動(dòng)的波源接近或遠(yuǎn)離觀察者時(shí)，其頻率會(huì)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(guò)旋轉(zhuǎn)物體且其角動(dòng)量發(fā)生改變時(shí)發(fā)生的頻移現(xiàn)象。對(duì)于光波而言，圓偏振光通過(guò)半波片或q-板，其角動(dòng)量將發(fā)生變化，因此可通過(guò)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。  圖2. 三次諧波產(chǎn)生中旋轉(zhuǎn)多普勒的三倍頻移。(a)旋轉(zhuǎn)半波片和(b)旋轉(zhuǎn)q-板用于引入旋轉(zhuǎn)多普勒頻移，(c)準(zhǔn)周期準(zhǔn)位相匹配晶體可將基頻光的多普勒頻移放大至上轉(zhuǎn)換光的三倍。 如何在實(shí)驗(yàn)上測(cè)量頻移是該研究面臨的真正挑戰(zhàn)。對(duì)旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)，通常采用拍頻的方法測(cè)量頻移，即通過(guò)兩束頻率不同的光產(chǎn)生的拍頻信號(hào)來(lái)讀取頻移。為測(cè)得非線性上轉(zhuǎn)換光場(chǎng)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(chǎng)；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(chǎng)的三次諧波，從獲得的拍頻信號(hào)順利讀取了非線性轉(zhuǎn)換后的頻移信號(hào)。實(shí)驗(yàn)測(cè)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(guò)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(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)期刊《Optica》上[Optica 10, 20 (2023)]。 |
