[发明专利]一种基于宽带倍频和DMD的紫外飞秒涡旋光产生装置及方法

说明书

一种基于宽带倍频和DMD的紫外飞秒涡旋光产生装置及方法，该装置包含三个功能模块：第一模块为衍射光栅，用于控制宽带基频飞秒激光角谱，输出具有角色散的脉冲；第二模块为频率变换模块，该模块为非线性晶体或晶体级联，实现宽带相位匹配，输出高频谐波脉冲；第三模块为DMD数字微镜阵列，用于谐波的角色散补偿和光场调制。发明装置首先通过光栅和非线性晶体的宽带倍频模块，产生宽带高次谐波脉冲，并通过DMD数字微镜阵列对宽带高次谐波进行角色散补偿和涡旋光调制，最终输出无角色散的紫外飞秒涡旋光束。

技术领域

本发明涉及超快飞秒激光的技术领域，具体涉及一种基于宽带倍频和DMD的紫外飞秒涡旋光产生装置及方法。

背景技术

涡旋光独特的中空环形结构及其轨道角动量性质已使得其在科学、工业和医学领域得到广泛应用。其中，许多应用都需要用到蓝光、紫外和深紫外波段的涡旋光。例如，在量子光学领域，蓝光-紫外波段的涡旋光在光量子的轨道角动量状态纠缠中占有不可或缺的地位；在一些新技术中，如手性选择性的纳米成像系统、等离子体超材料和生物医学纳米机电系统中紫外涡旋光也起到重要作用。

与红外波段的涡旋光获得方法不同，针对短波光源涡旋的产生很困难。目前，已有一些文献对超快紫外涡旋光的产生进行了相关研究。文献[Optics Letters,2013, 41(12):2715-2718]中通过两次倍频和螺旋相位板实现了超快紫外涡旋光，但所实现的带宽只有1.02nm，对应脉宽只有皮秒量级；文献[Applied Optics,2017,56(29):8075]也报道了基于倍频和螺旋相位板的紫外涡旋光产生，但实现的脉宽也只有皮秒量级。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于宽带倍频和DMD的紫外飞秒涡旋光产生装置及方法，该装置可利用倍频技术产生宽带紫外脉冲，并结合DMD对光场的调制，实现紫外飞秒涡旋光的产生。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于宽带倍频技术和DMD的紫外飞秒涡旋光产生装置，包括三个功能模块，按光轴方向依次为衍射模块、频率变换模块、DMD器件模块，所述衍射模块为衍射光栅(1)，用于控制宽带基频飞秒激光角谱，输出具有角色散的脉冲；所述频率变换模块为单个非线性晶体或晶体级联，用于实现宽带相位匹配，输出高频谐波脉冲；所述DMD器件模块为 DMD数字微镜阵列(5)，用于谐波的角色散补偿和光场调制，产生涡旋光束。

作为优选，所述的衍射光栅(1)为宽带基频飞秒脉冲提供角色散量值，光栅产生角色散的能力由入射的基频脉冲中心波长λ、入射角θ₁及光栅常数d₁决定，并满足光栅方程sinθ₁+sinα＝λ/d₁，其中α为衍射角。

作为优选，当所述频率变换模块为单个非线性晶体时，所述的频率变换模块包括沿光轴方向依次设置的第一非线性晶体(2)、第一消色差平凸透镜(3)、第二消色差平凸透镜(4)，所述衍射光栅(1)位于第一消色差平凸透镜(3)的焦点位置，所述第一消色差平凸透镜(3)、第二消色差平凸透镜(4)均以凸面面向入射脉冲，所述DMD数字微镜阵列(5)位于第二消色差平凸透镜(4)的焦点位置。

作为优选，当所述频率变换模块为晶体级联时，所述的频率变换模块包括沿光轴方向依次设置的第一非线性晶体(2)、第一消色差平凸透镜(3)、第二消色差平凸透镜(4)、消色差平凹透镜(6)和第二非线性晶体(7)，所述衍射光栅(1)位于第一消色差平凸透镜(3)的焦点位置，所述消色差平凹透镜(6)以平面面向入射脉冲，所述DMD数字微镜阵列(5)位于消色差平凹透镜(6)的焦点位置。