用于任意矢量光场频率变换的偏振无关倍频方法及装置转让专利
申请号 : CN202010211301.4
文献号 : CN111399308B
文献日 : 2021-03-30
发明人 : 朱智涵 , 吴海俊 , 高玮 , 史保森
申请人 : 哈尔滨理工大学
摘要 :
权利要求 :
1.用于任意矢量光场频率变换的偏振无关倍频方法,其特征在于,所述偏振无关倍频方法包括:
令矢量型信号光束和平顶高斯型泵浦光束分别从偏振非线性Sagnac干涉仪的双波长偏振分光棱镜(1)的两面输入,以使所述矢量型信号光束与所述平顶高斯型泵浦光束在所述干涉仪的两个方向上均发生II型倍频;
通过所述干涉仪两个方向上的II型倍频所产生的两个频率上转换光束,经所述干涉仪锁相合束后再与剩余泵浦光束分离,以获得所述矢量型信号光束的倍频光束,即实现了与信号光偏振无关的倍频;
所述矢量型信号光束与所述平顶高斯型泵浦光束具有相同的频率,并同时进入所述干涉仪。
2.根据权利要求1所述的偏振无关倍频方法,其特征在于,所述偏振非线性Sagnac干涉仪包括偏振分光棱镜(1)、第一反射镜(3)以及第二反射镜(5),其中,所述偏振分光棱镜(1)、所述第一反射镜(3)和所述第二反射镜(5)均为覆盖基频光与倍频光的双波长元件;
所述偏振非线性Sagnac干涉仪还包括双波长二分之一波片(2)和Ⅱ型倍频非线性晶体(4);
其中,双波长二分之一波片(2)设于双波长偏振分光棱镜(1)与第一反射镜(3)之间,Ⅱ型倍频非线性晶体(4)设于第一反射镜(3)与第二反射镜(5)之间。
3.根据权利要求1或2所述的偏振无关倍频方法,其特征在于,所述偏振非线性Sagnac干涉仪的两个方向包括第一方向和第二方向;
其中,当所述第一方向为顺时针方向时,所述第二方向为逆时针方向;
当所述第一方向为逆时针方向时,所述第二方向为顺时针方向。
4.根据权利要求3所述的偏振无关倍频方法,其特征在于,在所述偏振非线性Sagnac干涉仪内,所述矢量型信号光束的水平偏振分量与所述平顶高斯型泵浦光的垂直分量沿第一方向一起传播,而所述矢量型信号光束的垂直偏振分量与平顶高斯型泵浦光的水平分量沿第二方向一起传播。
5.根据权利要求4所述的偏振无关倍频方法,其特征在于:双波长偏振分光棱镜(1)的第一面作为第一端口,矢量型信号光束入射经所述第一端口进入所述偏振非线性Sagnac干涉仪,经所述双波长偏振分光棱镜(1)分解为水平偏振态信号光与垂直偏振态信号光,所述水平、垂直偏振态信号光分别沿第一、第二方向在所述偏振非线性Sagnac干涉仪中前进;
所述偏振非线性Sagnac干涉仪的第二反射镜(5)至双波长偏振分光棱镜(1)的外延长线上设有二向色分光镜(6),二向色分光镜(6)的第一侧作为第三端口,45°偏振的平顶高斯型泵浦光经第三端口进入所述偏振非线性Sagnac干涉仪,经所述双波长偏振分光棱镜(1)分解为垂直偏振态泵浦光与水平偏振态泵浦光,所述垂直、水平偏振态泵浦光分别沿第一、第二方向在所述偏振非线性Sagnac干涉仪中前进;
在第一方向上,所述水平偏振态信号光与所述垂直偏振态泵浦光经设于所述偏振非线性Sagnac干涉仪的双波长偏振分光棱镜(1)与第一反射镜(3)之间的45°的双波长二分之一波片(2)交换偏振态,接着经第一反射镜(3)反射至设于第一反射镜(3)与第二反射镜(5)之间的Ⅱ型非线性晶体(4)发生Ⅱ型倍频,产生的水平偏振态的倍频光作为第一倍频光束;所述第一倍频光束依次由第二反射镜(5)反射和双波长偏振分光棱镜(1)透射后,从双波长偏振分光棱镜(1)的第二面输出;
在第二方向上,所述垂直偏振态信号光与所述水平偏振态泵浦光经所述第二反射镜(5)反射至所述Ⅱ型非线性晶体(4)发生Ⅱ型倍频,产生的水平偏振态的倍频光经由所述第一反射镜(3)反射至45°的双波长二分之一波片(2)而转换为垂直偏振态的倍频光,作为第二倍频光束;所述第二倍频光束经所述双波长偏振分光棱镜(1)反射后,与所述第一倍频光束合束从所述双波长偏振分光棱镜(1)的第二面输出。
6.用于任意矢量光场频率变换的偏振无关倍频装置,其特征在于,所述偏振无关倍频装置包括双波长偏振分光棱镜(1)、45°的双波长二分之一波片(2)、第一反射镜(3)、Ⅱ型倍频非线性晶体(4)、第二反射镜(5)以及二向色分光镜(6);
所述双波长二分之一波片(2)设于所述双波长偏振分光棱镜(1)与所述第一反射镜(3)之间,所述Ⅱ型倍频非线性晶体(4)设于所述第一反射镜(3)与所述第二反射镜(5)之间,使得所述双波长偏振分光棱镜(1)、45°的双波长二分之一波片(2)、第一反射镜(3)、Ⅱ型倍频非线性晶体(4)以及第二反射镜(5)构成偏振非线性Sagnac干涉仪;其中,所述偏振分光棱镜(1)、所述第一反射镜(3)和所述第二反射镜(5)均为覆盖基频光与倍频光的双波长元件;
所述二向色分光镜(6)设于所述第二反射镜(5)至所述双波长偏振分光棱镜(1)的外延长线上;
矢量型信号光束入射至所述双波长偏振分光棱镜(1)的第一面,所述双波长偏振分光棱镜(1)的所述第一面作为第一端口;所述矢量型信号光束经所述第一端口进入所述偏振非线性Sagnac干涉仪,由所述双波长偏振分光棱镜(1)分解为水平偏振态信号光与垂直偏振态信号光,所述水平、垂直偏振态信号光分别沿第一、第二方向在所述偏振非线性Sagnac干涉仪中前进;
45°偏振的平顶高斯型泵浦光入射至所述二向色分光镜(6)的第一侧,所述二向色分光镜(6)的所述第一侧作为第三端口;所述平顶高斯型泵浦光经所述第三端口由所述二向色分光镜(6)透射,入射至所述双波长偏振分光棱镜(1)的第二面并进入所述偏振非线性Sagnac干涉仪,由所述双波长偏振分光棱镜(1)分解为垂直偏振态泵浦光与水平偏振态泵浦光,所述垂直、水平偏振态泵浦光分别沿第一、第二方向在所述偏振非线性Sagnac干涉仪中前进;
其中,所述矢量型信号光束与所述平顶高斯型泵浦光束具有相同的频率,并同时进入所述偏振非线性Sagnac干涉仪;
在第一方向上,所述水平偏振态信号光与所述垂直偏振态泵浦光经45°的双波长二分之一波片(2)交换偏振态,接着经所述第一反射镜(3)入射至Ⅱ型非线性晶体(4)发生Ⅱ型倍频,产生的水平偏振态的倍频光作为第一倍频光束;所述第一倍频光束依次由所述第二反射镜(5)反射和所述双波长偏振分光棱镜(1)透射后,从所述双波长偏振分光棱镜(1)的第二面输出;
在第二方向上,所述垂直偏振态信号光与所述水平偏振态泵浦光经所述第二反射镜(5)入射所述Ⅱ型非线性晶体(4)发生Ⅱ型倍频,产生的水平偏振态的倍频光经由所述第一反射镜(3)反射至45°的双波长二分之一波片(2),并经所述双波长二分之一波片(2)转换为垂直偏振态的倍频光,作为第二倍频光束;所述第二倍频光束经所述双波长偏振分光棱镜(1)反射后,与所述第一倍频光束合束从所述双波长偏振分光棱镜(1)的第二面输出;
从所述双波长偏振分光棱镜(1)的第二面输出的合束光束经所述二向色分光镜(6)的第二侧反射后与剩余泵浦光分离;
所述二向色分光镜(6)的第二侧作为第二端口,用于输出转换后的倍频光场。
7.根据权利要求6所述的偏振无关倍频装置,其特征在于:所述第一方向为顺时针方向,所述第二方向为逆时针方向;或所述第一方向为逆时针方向,所述第二方向为顺时针方向。
8.根据权利要求6或7所述的偏振无关倍频装置,其特征在于所述平顶高斯型泵浦光束由高斯光束经全息衍射元件或空间光调制器变换而来。
9.根据权利要求6或7所述的偏振无关倍频装置,其特征在于所述非线性晶体为Ⅱ型相位匹配倍频晶体。
10.根据权利要求6或7所述的偏振无关倍频装置,其特征在于所述第一、第二反射镜为双波段反射镜,或能够覆盖基频及倍频波段的金属反射镜。
说明书 :
用于任意矢量光场频率变换的偏振无关倍频方法及装置
技术领域
背景技术
本调控功能在面对具有空间非均匀偏振状态的“矢量光场”时难以实施。因为目前已商业化
的非线性晶体无法同时转换矢量光场的正交偏振分量。为实现矢量光场的参量转换,一个
可行的解决方案是使用具有SU(2)对称性的非线性干涉仪,其中“正交双晶体”和“Sagnac
(塞格纳克)环路”是两种最为可靠的实施方案。最近,已有课题组通过正交放置的两块I型
超薄晶体演示了矢量光场的倍频(2018年《Optics Letters》第43卷第5981页发表的
《Nonlinear frequency conversion and manipulation of vector beams》和2019年
《Applied Physics Letters》第115卷第051101页发表的《Frequency‑conversion of
vector vortex beams with space‑variant polarization in single‑pass
geometries》)。然而该方案无法使用长周期性极化晶体实现高转换率,因为长晶体在正交
偏振分量间引入的瑞利距离的偏移很难修正,使上转换探测系统难以设计及优化。
发明内容
别从偏振非线性Sagnac干涉仪的双波长偏振分光棱镜的两面输入,以使所述矢量型信号光
束与所述平顶高斯型泵浦光束在所述干涉仪的两个方向上均发生II型倍频;通过所述干涉
仪两个方向上的II型倍频所产生的两个频率上转换光束,经所述干涉仪锁相合束后再与剩
余泵浦光束分离,以获得所述矢量型信号光束的倍频光束,即实现了与信号光偏振无关的
倍频;所述矢量型信号光束与所述平顶高斯型泵浦光束具有相同的频率,并同时进入所述
干涉仪。
频光与倍频光的双波长元件;所述偏振非线性Sagnac干涉仪还包括双波长二分之一波片和
II型倍频非线性晶体;其中,双波长二分之一波片设于双波长偏振分光棱镜与第一反射镜
之间,II型倍频非线性晶体设于第一反射镜与第二反射镜之间。
方向时,所述第二方向为顺时针方向。
垂直偏振分量与平顶高斯型泵浦光的水平分量沿第二方向一起传播。
偏振态信号光与垂直偏振态信号光,所述水平、垂直偏振态信号光分别沿第一、第二方向在
所述偏振非线性Sagnac干涉仪中前进;所述偏振非线性Sagnac干涉仪的第二反射镜至双波
长偏振分光棱镜的外延长线上设有二向色分光镜,二向色分光镜的第一侧作为第三端口,
45°偏振的平顶高斯型泵浦光经第三端口进入所述偏振非线性Sagnac干涉仪,经所述双波
长偏振分光棱镜分解为垂直偏振态泵浦光与水平偏振态泵浦光,所述垂直、水平偏振态泵
浦光分别沿第一、第二方向在所述偏振非线性Sagnac干涉仪中前进;在第一方向上,所述水
平偏振态信号光与所述垂直偏振态泵浦光经设于所述偏振非线性Sagnac干涉仪的双波长
偏振分光棱镜与第一反射镜之间的45°的双波长二分之一波片交换偏振态,接着经第一反
射镜反射至设于第一反射镜与第二反射镜之间的Ⅱ型非线性晶体发生II型倍频,产生的水
平偏振态的倍频光作为第一倍频光束;所述第一倍频光束依次由第二反射镜反射和双波长
偏振分光棱镜透射后,从双波长偏振分光棱镜的第二面输出;在第二方向上,所述垂直偏振
态信号光与所述水平偏振态泵浦光经所述第二反射镜反射至所述II型非线性晶体发生II
型倍频,产生的水平偏振态的倍频光经由所述第一反射镜反射至45°的双波长二分之一波
片而转换为垂直偏振态的倍频光,作为第二倍频光束;所述第二倍频光束经所述双波长偏
振分光棱镜反射后,与所述第一倍频光束合束从所述双波长偏振分光棱镜的第二面输出。
射镜、II型倍频非线性晶体、第二反射镜以及二向色分光镜;所述双波长二分之一波片设于
所述双波长偏振分光棱镜与所述第一反射镜之间,所述II型倍频非线性晶体设于所述第一
反射镜与所述第二反射镜之间,使得所述双波长偏振分光棱镜、45°的双波长二分之一波
片、第一反射镜、II型倍频非线性晶体以及第二反射镜构成偏振非线性Sagnac干涉仪;其
中,所述偏振分光棱镜1、所述第一反射镜3和所述第二反射镜5均为覆盖基频光与倍频光的
双波长元件;所述二向色分光镜设于所述第二反射镜至所述双波长偏振分光棱镜的外延长
线上;矢量型信号光束入射至所述双波长偏振分光棱镜的第一面,所述双波长偏振分光棱
镜的所述第一面作为第一端口;所述矢量型信号光束经所述第一端口进入所述偏振非线性
Sagnac干涉仪,由所述双波长偏振分光棱镜分解为水平偏振态信号光与垂直偏振态信号
光,所述水平、垂直偏振态信号光分别沿第一、第二方向在所述偏振非线性Sagnac干涉仪中
前进;45°偏振的平顶高斯型泵浦光入射至所述二向色分光镜的第一侧,所述二向色分光镜
的所述第一侧作为第三端口;所述平顶高斯型泵浦光经所述第三端口由所述二向色分光镜
透射,入射至所述双波长偏振分光棱镜的第二面并进入所述偏振非线性Sagnac干涉仪,由
所述双波长偏振分光棱镜分解为垂直偏振态泵浦光与水平偏振态泵浦光,所述垂直、水平
偏振态泵浦光分别沿第一、第二方向在所述偏振非线性Sagnac干涉仪中前进;其中,所述矢
量型信号光束与所述平顶高斯型泵浦光束具有相同的频率,并同时进入所述偏振非线性
Sagnac干涉仪;在第一方向上,所述水平偏振态信号光与所述垂直偏振态泵浦光经45°的双
波长二分之一波片交换偏振态,接着经所述第一反射镜入射至Ⅱ型非线性晶体发生Ⅱ型倍
频,产生的水平偏振态的倍频光作为第一倍频光束;所述第一倍频光束依次由所述第二反
射镜反射和所述双波长偏振分光棱镜透射后,从所述双波长偏振分光棱镜的第二面输出;
在第二方向上,所述垂直偏振态信号光与所述水平偏振态泵浦光经所述第二反射镜入射所
述II型非线性晶体发生II型倍频,产生的水平偏振态的倍频光经由所述第一反射镜反射至
45°的双波长二分之一波片,并经所述双波长二分之一波片转换为垂直偏振态的倍频光,作
为第二倍频光束;所述第二倍频光束经所述双波长偏振分光棱镜反射后,与所述第一倍频
光束合束从所述双波长偏振分光棱镜的第二面输出;从所述双波长偏振分光棱镜的第二面
输出的合束光束经所述二向色镜的第二侧反射后与剩余泵浦光分离;所述二向色分光镜的
第二侧作为第二端口,用于输出转换后的倍频光场。
保真度。本发明的上述技术能够为全矢量量子频率变换提供基础,也可以为偏振图像上转
换探测提供一条有效的解决方案。
附图说明
干实施方式,其中:
具体实施方式
方式限制本发明的范围。相反,提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整,并且能
够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
第99卷第2期发表的《Dynamic tomography of the spin‑orbit coupling in nonlinear
optics》和《Optics Letters》第44卷第12期发表的《Nonlinear frequency conversion
and manipulation of vector beams in a Sagnac loop》),虽然实现了矢量光场的倍频,
但输出倍频光场的偏振结构(SOC状态)相较于输入信号已经发生了剧烈变化。需要注意的
是:在经典(或量子)信息应用中,矢量光场的SOC状态是承载传播信息的基础;因此要求频
率变换器在变换输入光信号频率的过程中不可以影响被变换光场的SOC状态。
泵浦(平顶高斯光束)光从含有II型倍频晶体的偏振Sagnac非线性干涉仪的两端同时注入,
从而实现与输入信号偏振态无关的频率上转换。
两个方向(顺时针及逆时针)都发生II型倍频,产生频率上转换光束,输出的频率上转换光
束经由偏振非线性Sagnac干涉仪合束后,与泵浦光束分离,即可获得矢量型信号光束的频
率上转换光束,完成偏振无关的频率上转换。
场可以描述为
下的坐标。
论, 与 将由代表水平与垂直偏振状态的 和 表示:
式在偏振非线性Sagnac干涉仪中分别沿顺时针与逆时针方向同时前进,并在通过非线性晶
体时与泵浦光源完成II型倍频过程。
iφ
由于Sagnac干涉仪的相位自锁定结构,式(4)中的相位e 将一直存在,并保持不变。故而,
最终输出的光场为:
斯型泵浦光束在干涉仪的两个方向上均发生II型倍频。
波片2和II型非线性晶体4。
干涉仪通常由一个偏振分光棱镜和两个反射镜构成。但需要注意的是,在本发明实施例的
偏振非线性Sagnac干涉仪中,双波长偏振分光棱镜1、第一反射镜3与第二反射镜5均为覆盖
基频光与倍频光的双波长元件;而传统型的偏振Sagnac干涉仪不包含双波长器件,其无法
适用于本实施例中的非线性频率变换场景。
而倍频是指本实施例所得的倍频光的频率。
为顺时针方向,则第二方向为逆时针方向;若第一方向为逆时针方向,则第二方向为顺时针
方向。在下文中,将以第一方向为顺时针、第二方向为逆时针为例进行示例性描述,应当理
解的是,在本发明的其他实施例中,也可是第一方向为逆时针、第二方向为顺时针,将不再
一一赘述。
为矢量型信号光束的倍频光束,即实现了与信号光偏振无关的倍频。
泵浦光)沿顺时针方向一起传播,而矢量型信号光束的垂直偏振分量(即下文所述的垂直偏
振态信号光)与平顶高斯型泵浦光的水平分量(即下文所述的水平偏振态泵浦光)沿逆时针
方向一起传播。
振态信号光与垂直偏振态信号光,水平、垂直偏振态信号光分别沿顺时针、逆时针方向在偏
振非线性Sagnac干涉仪中前进。
经第三端口进入偏振非线性Sagnac干涉仪,经双波长偏振分光棱镜1分解为垂直偏振态泵
浦光与水平偏振态泵浦光,垂直、水平偏振态泵浦光分别沿顺时针方向、逆时针方向在偏振
非线性Sagnac干涉仪中前进。
平偏振态的倍频光作为第一倍频光束;第一倍频光束依次由第二反射镜5反射和双波长偏
振分光棱镜1透射后,从双波长偏振分光棱镜1的第二面输出。
的双波长二分之一波片2而转换为垂直偏振态的倍频光,作为第二倍频光束;第二倍频光束
经双波长偏振分光棱镜1反射后,与第一倍频光束合束从双波长偏振分光棱镜1的第二面输
出。
长二分之一波片2、第一反射镜3、Ⅱ型倍频非线性晶体4以及第二反射镜5构成偏振非线性
Sagnac干涉仪;其中,偏振分光棱镜1、第一反射镜3和第二反射镜5均为覆盖基频光与倍频
光的双波长元件。
号光,反射部分例如是垂直偏振态信号光)。
向为逆时针方向,则第二方向为顺时针方向。
波长偏振分光棱镜1分解为垂直偏振态泵浦光与水平偏振态泵浦光(反射部分例如是垂直
偏振态泵浦光,透射部分例如是水平偏振态泵浦光),垂直、水平偏振态泵浦光分别沿顺时
针方向、逆时针方向在偏振非线性Sagnac干涉仪中前进。
平偏振态的倍频光作为第一倍频光束;第一倍频光束依次由第二反射镜5反射和双波长偏
振分光棱镜1透射后,从双波长偏振分光棱镜1的第二面输出。
双波长二分之一波片2,并经双波长二分之一波片2转换为垂直偏振态的倍频光,作为第二
倍频光束;第二倍频光束经双波长偏振分光棱镜1反射后,与第一倍频光束合束从双波长偏
振分光棱镜1的第二面输出。
方向在偏振非线性Sagnac干涉仪中前进。
率。
偏振态的倍频光(即上述第一倍频光)。
长二分之一波片转换为垂直偏振态的倍频光(即上述第二倍频光)。
为通过相机获得的平顶高斯光束的实际形貌,右侧为光斑横向截线分布。非线性晶体为II
型PPKTP晶体。
为方便说明,在SOC状态中选取|a>、|b>、|c>、|d>四个状态进行
实验,即图4中高阶庞加莱球上的4个灰色方块;图4中的χ表示高阶Stokes空间广义椭篇角。
图5所示为选定的四个实验制备的波长为795nm的信号光的空间形貌及其偏振状态示意图,
示意图底层为空间形貌,表层椭圆为代表矢量光场偏振状态的偏振椭圆(白色表示右旋圆
偏振,灰色表示左旋圆偏振)。图6为经过频率变换后的波长为397nm的倍频光场的空间形貌
及其偏振状态。倍频光场在高阶庞加莱球上的坐标如图4中的灰色三角所示。经计算,转换
前后的保真度分别为99.97%、96.21%、99.97%、96.21%
后,倍频光场的近(远)场的空间形貌及其偏振状态如图8左(右)所示。图9为信号光场(灰色
填充)、倍频光场的近场(灰色实线)、倍频光场的远场(灰色虚线)的空间形貌的横向截线对
比。
都应涵盖在本发明的保护范围之内。