通过非共线相互作用的可调非线性光束整形的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及非线性光学领域，并更具体地涉及通过非共线相互作用的非线性光束 整形。
[0002] 发明背景
[0003] 当光束遭遇周期性结构时，光衍射发生。当这个周期性为非线性系数时，发生非线 性衍射，例如，由来自光源的栗浦光束碰撞的周期性改变的二阶非线性系数导致二次谐波 (SH)中的衍射图样。通常栗浦相对于光栅垂直传播，从而导致来自传播方向两侧的对称衍 射。针对Raman-Nath、Cerenkov和Bragg的情况，近年来广泛研究了用于非线性衍射的方 案。打破对称性，即以一定角度进入非线性晶体能够加大操作带宽，并在此情况下，产生的 衍射图样也是非对称的。
[0004] 在非线性相互作用中为生成的光束进行整形非常有用，因为与转换光束并然后对 其进行操作的第一频率的可选方法相比，它可节省成本和空间。此外，这种整形技术为在线 性光学中不能实现的对光束参数的全光控制开启了新的可能性。研究了用于一维光束整形 的若干个方式，包含对生成的幅度或相位的整形。还通过在非线性体制中实施计算机生成 的全息图的概念来展示对幅度和相位的任意整形。所有前述方案的共同缺点是它们需要非 线性系数的二维调制一通常一个轴是用于准相位匹配，以及第二轴是用于光束整形。这使 得设计和晶体构造复杂化，此外，当使用诸如磷酸钛氧钾（KTiOPO4)的一些更有效的晶体进 行工作时，其形成限制。最近还通过在非线性晶体的横向设置中工作来研究了二维光束整 形，其中两个横向轴均被用于对期望的图样进行编码，以及使用Raman-Nath方案来部分获 得相位匹配。该设置的缺点是由于部分相位匹配而产生的低非线性转换效率。
【发明内容】
[0005] 本发明的实施方式提供了在晶体中采用非线性准相位匹配的相互作用来光束整 形的方法和系统，其中通过计算机生成的全息图来对该晶体的非线性系数进行编码。同一 个轴被用于满足相位匹配要求并对全息信息进行编码。这允许使用非常简单的方式来制造 非线性晶体图样的一维光束整形和具有高转换效率的二维光束整形。通过在KTiOPO4和化 学计量钽酸锂中在二次谐波将基模高斯光束转换为厄米-高斯光束和拉盖尔-高斯光束， 来对两者进行展示。所提议的方案通过由倾斜机构简单地倾斜晶体来实现宽波长调谐。
[0006] 附图简述
[0007] 为了更好地理解本发明的实施方式以及为了示出本发明的实施方式可以被如何 付诸实践，现在将仅仅通过示例的方式参照附图，在附图中相似的数字在全文中指代相应 的元件或部分。在附图中：
[0008] 图1是根据本发明的某些实施方式的晶体的高水平原理框图。
[0009] 图2是示出根据本发明的某些实施方式的系统的一个方面的图；以及
[0010] 图3是示出根据本发明的某些实施方式的系统的一个方面的图形图表；
[0011] 图4是示出根据本发明的某些实施方式的系统的一个方面的图形图表；
[0012] 图5是示出根据本发明的某些实施方式的系统的一个方面的图形图表。
[0013] 附图以及以下详细的说明使得本发明的实施方式对于本领域的专业人士变得明 显。
[0014] 详细描述
[0015] 现在具体地详细地参照附图，强调的是，示出的细节是通过实施例的方式并且仅 用于本发明的优选的实施方式的例证性讨论的目的，并且被提出以用于提供被认为是本发 明的原理和概念方面的最有用的并且容易地理解的描述的内容。在这点上，与为了本发明 的基本的理解所必需的相比，没有尝试更详细地示出本发明的结构细节，随着附图进行的 描述可以使得如何在实践中体现本发明的若干形式对本领域的技术人员是明显的。
[0016] 在详细地解释本发明的至少一个实施方式之前，应理解，本发明在其应用上不限 于在以下的描述中陈述或在附图中图示部件的布置和构造的细节。本发明适用于其他的实 施方式或适用于以多种方式实践或实施。此外，应理解，本文采用的措辞和术语是为了描述 的目的并且不应当被认为是限制性的。
[0017] 本发明在其实施方式中提出提供对以上提到的两个问题的解决方案的整形方案。 具体地，它通过对非线性系数的一维调制来实现一维光束整形，且它实现充分的相位匹配， 并因此实现用于二维光束整形的有效方案。根据本发明的实施方式的方法是基于非线性准 相位匹配的相互作用，其中，在用于准相位匹配的同一个晶体轴上对二进制全息图样进行 编码。衍射具有不对称特性，并因此产生与基频（FF)分开的单一生成光束。在二维情况下， 晶体的X轴是被用于准相位匹配和对全息信息编码，而Y轴是仅仅被用于全息信息。在此 情况下，由以下公式（1)给出用于非线性系数调制的总体表达：
[0019] 其中Clu是二次磁化率X (2)张量的元素，G是X方向上准相位匹配所需的倒数矢 量，q (X，y) = 1/ π X asin {A (X，y)}，以及是在第一衍射级中的所期望的波 前的傅立叶变换。对于3!1生成6 = 1^以11(€〇/(；〇8(0)的过程，其中1^是3!1光束的波矢 量，α是在基频（FF)和SH光束之间的分离角，以及Θ是在晶体中FF光束传播相对于小 晶体界面的法线的角度。取决于相位匹配要求，角度Θ可以是正的或负的。这与先前的方 案不同，其中未满足完全的矢量相位匹配条件，以及非线性相互作用的结果是具有低转换 效率的对称衍射图样。
[0020] 在一维情况中，为相位匹配和图样编码只使用了 X轴，且通过省略公式（1)中Y的 依赖来描述调制。该实现与先前提出的技术不同，其中以二维图样化实现了连续编码，传播 轴被用于共线相位匹配，垂直轴被用于在所生成的SH上施加所期望的相位。本文所提议的 方法导致简单得多的一维极化过程，因此使用具有高度非等向性极化行为的有效的非线性 晶体（例如KTiOPO4)进行工作变得可能。而且，通过简单地倾斜晶体，用于一维和二维整 形的所提议的实现可被采用，用于大范围的波长。
[0021 ] 图1示出了所提议的设置的原理图，在一维情况下，FF光束相对于晶体的Y轴倾斜 地传播。k矢量图被呈现以解释准相位匹配方案。图中的部分（a)示出了用于简单的一维 周期性调制的在远场处的输出SH，部分（b)示出了对于用公式（1)的一维版本对厄米-高 斯（HG)光束HG2。17进行编码的结果。重要的是，注意到还可对于零倾斜角实现该技术，如在 图1的部分（C)中所示的。然而，在前两种情况下生成了单一光束，在后面的情况下生成了 相对于光轴对称的两个光束。图中的部分（d)示出了非对称衍射的概念可如何被用于二维 光束整形，示出对于用公式（1)对!!心进行编码的结果。在二维情况下，相对于光轴对称的 衍射图样通常是不可行的，因为该配置要求非线性晶体的亚微米图样，用于相位匹配。
[0022] 在图1中，示出了整形非线性衍射设置的原理图。周期性晶体的非对称非线性衍 射（a)，晶体上编码有一维信息（b)以及编码有二维信息（d)。在其上编码有一维信息的晶 体中的对称非线性衍射（c)。G*是局部倒易晶体矢量。
[0023] 为了展示一维概念，发明者制造了旨在SH生成的过程中生成厄米-高斯群的两种 光束HG1。和HG 2。的晶体。由厄米-高斯HG ^和拉盖尔-高斯LG 2。光束的二次谐波生成展 示了二维概念。后面的光束是具有拓扑电荷+2的涡旋光束。
[0024] 用于一维整形的试验示范是在具有载频G/2 π为〇. 1176 μπι1的一维极化KTiOPO4晶体上进行的。该频率与l〇64.5nm Nd:YAG激光的o-eo SH生成相位匹配，其中晶体倾斜 了 0. 206rad(通过斯涅尔定律与Θ有关）。由于编码，极化晶体中的磁畴宽度在1.6μηι 和4 μπι之间变化。Y方向上的晶体的长度是2mm。所使用的FF源是NchYAG激光，其在 1064. 5nm的波长处以2kHz的重复率产生IOns的脉冲。激光束聚焦于具有柱面透镜的晶 体的中心，分别在晶体的z和X方向创造大约70 μπι和Imm的光束腰半径。额外的柱面透 镜被放置于晶体的输出端。在二维上极化的化学计量钽酸锂（SLT)非线性晶体上展示了二 维整形。在X方向上的载频是〇· υδμπι1，目标在于在室温下1550nm栗浦的e-ee SH生成 的相位匹配，其中晶体被倾斜了 0. 86rad。以此倾斜的设置工作允许在非线性相互作用中使 用d33，参与这种相互作用的FF功率部分是cos2(0)，其中Θ是FF角度。〇-〇〇和o-eo SH 生成的过程对于整个SH功率产生可忽略的贡献，因为相对于d22和d 24, SLT中d33大超过一 个数量级。极化晶体中的磁畴宽度在2 μπι和4.5 μπι之间变化。在Z方向上的晶体长度是 0· 5mm。这个试验中的FF源是光参量振荡器（OPO)的信号，其在1550nm处以IOkHz重复率 产生4. 5ns脉冲。光束聚焦于晶体的中心，创造大约500 μπι的光束腰半径。
[0025] 图2在（a)、（b)、（c)和（d)部分示出了晶体上极化结构的显微图像。从图中明显 看出高质量的极化过程。在SH的远场处获得了所期望的HG和LG模式，并且在图2中还呈 现了在理论的和所测量的光束形状之间的比较。
[0026] 图3示出了用于HG2。和HG11光束的实验性的和所预测的结果之间的详细比较。基 于分步傅立叶方法进行了数值仿真，其中物理参数与试验中的那些相同，并对于KTiOPO4, 假设d31= 3. 7pm/V2°，对于SLT，假设d33= 12. 9pm/V21。对于两个实验，观测到了在所测量 的和所模拟的输出SH功率之间的对于输入FF功率和晶体倾斜角的依赖的良好拟合。在表 1中对于两个晶体总结了在所期望的和所测量的外部转换效率（对于峰值栗浦功率