[发明专利]用于任意矢量光场频率变换的偏振无关倍频方法及装置

说明书

本发明提供了一种用于任意矢量光场频率变换的偏振无关倍频方法及装置。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的两面输入，以使矢量型信号光束与平顶高斯型泵浦光束在干涉仪的两个方向上均发生II型倍频；通过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，经干涉仪锁相合束后再与剩余泵浦光束分离，以获得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；矢量型信号光束与平顶高斯型泵浦光束具有相同的频率，并同时进入干涉仪。本发明的上述技术为任意矢量光场频率变换及偏振图像上转换探测提供了一种偏振无关的倍频装置和方法，并具有优良转换保真度。

技术领域

本发明的实施方式涉及光学领域，更具体地，本发明的实施方式涉及一种用于任意矢量光场频率变换的偏振无关倍频方法及装置。

背景技术

在众多非线性光学应用中，基于二阶非线性相互作用的参量转换作为一种光学频率转换器，是目前激光和光子系统中最基本也是最重要的一种光场调控手段。然而，这一基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 ofvector vortex beams with space-variant polarization in single-passgeometries》)。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

在本上下文中，本发明的实施方式期望提供一种用于任意矢量光场频率变换的偏振无关倍频方法及装置，以至少解决现有技术所存在的不足。

在本发明实施方式的第一方面中，提供了一种用于任意矢量光场频率变换的偏振无关倍频方法，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。

进一步地，所述偏振非线性Sagnac干涉仪包括双波长偏振分光棱镜、第一反射镜以及第二反射镜，其中，所述偏振分光棱镜、所述第一反射镜和所述第二反射镜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。

进一步地，所述偏振非线性Sagnac干涉仪的两个方向包括第一和第二方向；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。

进一步地，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。