频率和拓扑荷数的依赖关系，是个很有意思的课题实际上，在受激发射损耗显微术中，确实同时需要短波长和小拓扑荷数的光源南京大学的研究团队，利用准相位匹配的灵活设计特性，的参数可见准周期结构可以提供两个以上独立的倒格矢，用于同时补偿多个非线性过程的波矢失配，从而实现高效的耦合非线性频率转换如果入射到准周期超晶格的基频光携带轨道角动量，在发生耦合的倍频过程时，基波携带的轨道角动量也会转移至倍频光和倍频光，这两个过程所使用的倒格矢分别为，和，和的倍频光干涉图案可以看出，当基波光拓扑荷数为和时，倍频光的拓扑荷数分别是和，是基波拓扑荷数的倍，表明耦合倍频过程满足轨道角动量守恒定律此外，由于准周期超晶格的使用，实现了高效的涡旋光倍频产生，这为获得蓝紫等空间光调制器工作波段之外的涡旋光源提供了新的途径宽带的涡旋光非线性频率转换器件也有重要的应用价值等利用钽酸锂超晶格实现了可调谐的涡旋光拓扑荷数涡旋光的产生涡旋光的倍频也可以在维光学超晶格中实现跟维结构相比，维超晶格拥有更丰富的倒格矢，可以同时发生共线与非共线的准相位匹配倍频过程产生的多束倍频光拥有相同的拓扑荷数，但从不同的空间角度出射，由此可以实现轨道角动量态的批量复制中科大的课题组也在实验上研究了涡旋光准相位匹配的和频过程他们发现，利用涡旋光与高斯光和频，可以在频率转换过程中保持涡旋光携带的轨道角动量信息，年，等报道了单光子轨道角动量态的频率上转换过程他们以的高斯光作为泵浦，通过腔增强的晶体中的和频过程，将的携带轨道角动量的光子上转换到，和频光子与基频光子具有相同的轨道角动量态，并且单光子相干性也被继承，这在关于光学超晶格中涡旋光调控及形成分析光学论文，将光子轨道角动量这个重要维度引入到非线性频率转换过程中，方面，可以拓展携带轨道角动量光的工作波段范围另方面，通过光学超晶格微结构的设计，可以实现光子轨道角动量的调控图光学超晶格结构示意图光学超晶格中涡旋光的频率转换光学超晶格中轨道角动量的非线性频率转换，最早的研究始于年南京大学等的篇理论工作他们考虑的是阶非线性的和频过程，即两支入射的基频光波长不同，且光束是具有不同的角向指数和径向指数的拉盖尔高斯光束非线性晶体选取的是周期极化铌酸锂如图所示通过求解非线性耦合波方程，他们研究了轨道角动量在准相位匹配相互作用中的规律因此径向指数不为，双折射相位匹配是利用晶体的双折射特性，让相互作用的光处于不同的偏振态，从而实现相位匹配，这是种完全相位匹配双折射相位匹配受制于材料的双折射特性，只能使用阶非线性系数的非对角元，并且存在空间走离效应，非线性频率转换的效率般较低在涡旋光非线性频率转换研究的早期工作中，人们就使用了和两种双折射晶体来研究拉盖尔高斯光束的倍频特性，准相位匹配是通过对晶体材料阶非线性系数的周期性调制，在倒格矢空间提供倒格矢或者说是准动量，来补偿非线性频率转换过程中的动量差值，使得，因为准动量的参与，所以被称为准相位匹配与双折射相位匹配相比，准相位匹配有几点优势首先，准相位匹配中相互作用为ħ涡旋光存在不同的空间模式，包括拉盖尔高斯光束超几何高斯光束，贝塞尔光束等它们的共同特点是具有螺旋的波前，光束中心位置的相位奇点，以及相位奇点带来的中空强度分布这些光束不同之处在于光场的振幅分布具有不同的数学形式此外，光子轨道角动量具有无限多个本征值，且各个模式之间相互正交，因此可以构成个无限维的空间携带轨道角动量光的上述新奇特性，使得它在诸多方面有重要的应用，包括微粒操控，超分辨成像高容量光通信，精密测量，以及量子信息技术等涡旋光的产生方式有很多，包括通过螺旋相位片直接加载螺旋相位，基于计算全息技术及空间光调制器加载螺旋相位，使用实现自旋角动量至轨道角动量的转换全息光栅的衍射利用柱透镜进行模摘要携带轨道角动量的光束，又称为涡旋光，因其新奇的相位分布和物理特性，在光学微操控超分辨成像高容量光通信和量子信息技术等领域有重要的应用涡旋光应用于不同场景需要不同的频率，使用基于准相位匹配原理的光学超晶格作为非线性转换晶体，是获得新频率光源的重要手段涡旋光与介质的非线性相互作用，不仅要考虑常规的能量守恒和线性动量守恒，还需要关注轨道角动量的守恒问题本文综述了光学超晶格中涡旋光产生和调控方面的研究进展通过倍频和频倍频和参量下转换等非线性频率转换过程，可以高效的将涡旋光的工作波长拓展到蓝紫直至中红外波段通过光学超晶格倒格矢的精密设计，可以灵活调控涡旋光非线性频率转换过程中的轨道角动量转移等基于非线性全息思想设计非线性光子晶示，在以及基波输入下，和衍射级次分别满足相位匹配，对应倍频光拓扑荷数分别为和方向周期性结构提供的倒格矢，准相位匹配得以完全满足，倍频效率达到，相比于维非线性叉形光栅的倍频效率提高了个数量级图维非线性叉形光栅中涡旋光的倍频产生总结与展望本文中，我们简要综述了光学超晶格在涡旋光产生与调控方面的工作进展使用光学超晶格作为非线性晶体，通过高效的倍频和频倍频光参量下转换等非线性光学过程，可以拓展涡旋光的工作波段，覆盖了蓝紫至中红外通过超晶格倒格矢的设计，还可以产生拓扑荷数可控宽调谐波段的蓝紫波段涡旋光基于非线性全息的设计思想，在超晶格中可以调控非形式等考虑过，的情况，此时非线性系数分布为螺旋形状与非线性叉形光栅的情况不同，倍频光将发生径向衍射由于每对正负级次倍频光衍射角大小相等，在空间中不能自然分立，因此总倍频场是成对带有相反拓扑荷数涡旋光的叠加等研究了种改进的螺旋极化非线性光子晶体，可以直接产生单拓扑荷数的倍频涡旋光极化图案设计为值化的涡旋光与球面波的干涉图样，可以对倍频光产生聚焦功能，类似于菲涅尔波带片非线性系数分布函数对应式中，的情况，其中是设计的工作波长，为曲率半径样品选取为厚度的铌酸锂薄片，通过电场极化技术完成制备当入射的基波为高斯光时，在焦平面处可以获得拓扑荷数为的倍频涡旋光，其中轨道角沿着方向入射，倒格矢可以参与横向相位匹配，对应倍频的相位匹配形式是非线性拉曼奈斯衍射通过求解耦合波方程，可以给出阶衍射倍频光场为ˆ式中ˆ和分别是倍频光的振幅和方向波矢，是基波的拓扑荷数由于纵向相位失配的存在，晶体厚度应该合适选择以保证ˆ不为零对于高阶衍射，倍频光拓扑荷数可以写为，是衍射级次由公式可以知道，倍频光的拓扑荷数不是简单等于基波的两倍，还与非线性光子晶体的拓扑荷数有关，也就是说此时轨道角动量的守恒还需要考虑非线性光子晶体提供的准轨道角动量在线性光学中，叉形光栅是产生和检测涡旋光的常用器件设计叉形光栅基于全息原理，通过高斯光与涡旋光整数的分数时，例如，因为基波光中的分量最多图，因此倍频光的拓扑荷数中分量为的占据主导地位，见图图分数阶涡旋光倍频的实验装置示意图图分数阶涡旋光倍频的谱涡旋光的非线性产生和调控入射的基频光都携带轨道角动量如果基频光是没有螺旋相位结构的平面波或者高斯光，也可以通过超晶格微结构设计来调制产生谐波波前相位，产生新频率涡旋光早在年，以色列特拉维夫大学的与在理论上提出了种维的非线性光子晶体，其非线性系数呈螺旋梯状分布光子轨道角动量可以直接通过入射的高斯光在其中的倍频过程产生年，上海交通大学的课题组也从理论上提出了将横向电光效应应用到维螺旋极化的非线性光子晶体中，来实现涡旋光束的非线性产生与调控然而，关于光学超晶格中涡旋光调控及形成分析光学论文性光场的波前相位振幅等参量，从而产生轨道角动量可控的涡旋光束涡旋光的产生和调控是近年来的个热点研究领域，结合目前的研究进展，在以下几个方面仍有待探索从基础物理研究层面来看，轨道角动量是能量线性动量之外的个重要守恒量，然而，这守恒定律由什么来支配，以及其中的物理机制是什么，有待揭示从应用层面来说，近年来，得益于维光学超晶格制备技术的突破，高效的光束整形产生涡旋光已经取得了初步进展，在此基础上，有望充分利用维空间的特点和优势，研发新型的非线性光子器件陈琰，胡小鹏，张勇，祝世宁光学超晶格中涡旋光的产生与调控哈尔滨工业大学学报，基金国家重点研发计划国家自然科学基金，关于光学超晶格中涡旋光调控及形成分析光学论文来困扰人们的难题之传统的基于半导体平面光刻工艺的高压电场极化技术，只能制备维或者维的光学超晶格直到年，维非线性光子晶体的制备技术取得了突破南京大学和澳大利亚国立大学的研究组，分别独立提出了用飞秒激光在晶体的内部擦除非线性系数，以及实现铁电畴反转，首次在实验上制备出了铌酸锂以及，并展示了维非共线的准相位匹配倍频，得益于技术的突破，在维非线性光子晶体里面，全空间维度非线性系数调控使得高效非线性光束整形成为可能南京大学的等利用飞秒激光定点擦除非线性系数，在铌酸锂晶体中成功制备了维非线性叉形光栅如图所示，光栅平面选择垂直于铌酸锂晶体的轴，当偏振的基波沿着方向入射时，倍频过程可以利用晶体最大非线性系数所辅助使用光的偏振自由度，最终实现了轨道角动量可控的高次谐波产生涡旋光非线性频率转换中的轨道角动量守恒规律，研究较多的是入射光携带的是整数阶的轨道角动量如果入射光携带的是分数阶的轨道角动量，其倍频光的轨道角动量是否也等于基频光的两倍，这是个有待探讨的有趣问题近来的研究发现，因为分数阶轨道角动量不是光的本征态，所以对于分数阶的涡旋光的倍频过程研究不能沿用简单的算术关系，而必须以整数阶的涡旋光作为本征基矢，研究倍频光的轨道角动量谱分布考虑到光学超晶格中涡旋光的共线倍频过程比较简洁，因此分数阶涡旋光的倍频过程也使用光学超晶格作为倍频晶体，等设计了图的实