导读

近日，南京大学胡小鹏教授/祝世宁院士团队、延边大学朱智涵教授和中科院光电所陈琰博士开展合作，在基于铁电畴工程的结构光非线性光子器件研究领域取得重要进展。研究团队设计并实验展示了基于非线性光子晶体的结构光场参量模式接口：该器件能够同时实现结构光场的频率转换与轨道角动量（OAM）模式调控；可通过调节输入光场主轴与非线性晶体主轴之间的相对角度，可实现同一模式球上不同模式之间的可控转换。相关研究成果以“Nonlinear Photonic Crystals Enabled Parametric Modal Interface for Structured Light”为题发表于Laser & Photonics Reviews期刊。

研究背景

铌酸锂、钽酸锂等铁电材料具有本征自发极化特性，通过铁电畴工程形成二阶非线性光学系数χ⁽²⁾特定的空间分布，可以实现高效灵活的非线性频率转换，并调控非线性光学过程中的相位、波前、传播方向和空间模式等。铁电畴工程的兴起和发展为非线性光学特别是非线性光束整型研究领域带来了重要的研究范式转变。在过去的十余年间，面向非线性光束整形的多种非线性光子晶体得到了广泛研究。

其中，轨道角动量（orbital angular momentum，OAM）态的非线性产生与探测备受关注。传统方法通常通过设计非线性光子晶体，将预设的涡旋波前加载到新产生的光束上，从而可将红外高斯光束转换为可见光涡旋光束；但所生成的光束通常并非拉盖尔–高斯模式，而是超几何–高斯模式。在该过程中，相互作用光波垂直入射于二值铁电畴结构，即沿非线性极化方向传播，如图1（a）所示。然而，这种相互作用方式存在纵向相位失配，因而非线性转换效率相对较低。

研究亮点

针对上述挑战，研究团队提出了一种利用二维非线性光子晶体对轨道角动量态进行参量调控的新概念，并将其称为非线性参量空间模式接口。与直接在新产生光束上加载预设涡旋波前的方法不同，如图1（b）所示，该非线性功能器件能够通过参量相互作用，实现同一厄米–拉盖尔–高斯（Hermite–Laguerre–Gaussian，HLG）模式球面上任意轨道角动量模式之间的转换。该非线性光子器件通过协同设计横向(x)方向和传播(z)方向上的铁电畴分布，实现空间模式调控与准相位匹配非线性和频转换的功能集成。如图1（c）所示，横向铁电畴结构引入二次相位项，为和频光场提供等效柱透镜相位，实现非线性像散变换；沿z方向周期排列的铁电畴结构通过准相位匹配补偿非线性过程中的相位失配，提高非线性衍射效率。类似于旋转波片调控偏振态，当输入HG模式的主轴相对于非线性晶体的主轴旋转时，输出和频光的模式将在HLG模式球上连续演化，从而实现同一模式球上的不同空间模式之间的连续转换。研究中所使用的二维非线性光子晶体，采用了高压电场极化技术，在厚度为0.5mm的Z切同成分钽酸锂晶体上制备。

图1 二维NPC晶体实现结构光场参量模式转换原理图

在原理验证实验中，1560nm的信号光场被调制为不同阶数的LG模式或HG模式，780nm的泵浦光场则采用超高斯模式以完整覆盖信号光场，如图2所示。实验结果显示，1至4阶LG信号光均可通过非线性参量过程转换为相应的同阶HG和频光场。当输入HG信号光的主轴与晶体主轴夹角逐渐增大至π/4时，输出和频光场的模式在同一HLG模式球上由HG模式连续演化至相应LG模式。

图2 信号光场分别为LG与HG时的参量模式转换实验结果图

在信号光平均功率为10 mW、泵浦光平均功率为1 W、相互作用长度0.25 mm的实验条件下，和频过程的总量子转换效率约为0.037%，约为相同实验条件下非线性叉形光栅方案的9.5×105倍，如图3所示。

图3 非线性转换效率对比图

该工作还对器件中非线性参量过程的OAM守恒进行了研究。通过测量相互作用光的OAM谱发现：当入射信号光为HG模式时，正、负一级非线性衍射光具有大小相等、符号相反的平均OAM，两个衍射级次的总OAM与输入光场保持一致；当入射信号光为LG模式时，OAM谱随模式转换演化，但不存在净OAM注入或流出，表明模式转换前后的总OAM保持守恒。

图4 参量模式转换过程中 OAM 频谱的实验分析

总结与展望

该研究提出并通过实验验证了一种新型二维非线性光子晶体，可同时实现结构光的频率转换与轨道角动量态转换。不同于构建传统的非线性螺旋相位板，该二维非线性光子晶体被设计为一种参量像散延迟器，能够对参量产生光所携带的轨道角动量态实施非线性幺正变换。输出模式由输入光场主轴与晶体主轴之间的相对夹角决定，从而实现对结构光空间模式的灵活调控。除具备丰富的模式调控能力外，该方案相较于叉形非线性光子晶体方案，总体量子转换效率提升了近六个数量级。该研究中发展的新型二维非线性光子晶体为结构光调控提供了一套高效的非线性工具箱。例如，它能够将激光谐振腔中相对容易产生的厄米–高斯模式，通过参量相互作用转换为同一模式球面上的任意目标状态。该原理有望应用于结构光产生与调控、非线性频率转换、轨道角动量光学以及结构化光子的量子信息处理等领域。

南京大学为该工作的第一完成单位，物理学院博士研究生张鑫宇和深圳大学吴海俊博士后研究员为论文的共同第一作者；南京大学胡小鹏教授、延边大学朱智涵教授和中科院光电所陈琰博士为论文的共同通讯作者；该工作得到了祝世宁院士的悉心指导。

论文链接https://doi.org/10.1002/lpor.71441

文章来源于两江科技评论微信公众号。