利用NbOI2全息图实现各向异性的二次和三次谐波Hermite-Gaussian光束生成

《Advanced Photonics Research》：Anisotropic Second- and Third-Harmonic Hermite–Gaussian Beam Generation with NbOI2 Holograms

本文利用超薄NbOI?光栅全息图实现了二阶和三阶谐波赫尔姆-高斯光束的高效生成，并揭示了其各向异性特性。实验表明，二阶谐波HG01模式各向异性比达14.95，三阶谐波HG01模式为4.85。通过分析极化依赖的非线性发射，提取了NbOI?晶体的二阶和三阶非线性张量元素。研究成果为开发新型极化敏感非线性光学器件提供了新思路，适用于光子集成电路、量子光子芯片和光通信领域。

　　本研究探讨了一种利用超薄铌氧化二碘（NbOI?）光栅全息图生成各向异性二次和三次谐波赫米特-高斯（HG）光束的新方法，从而实现非线性HG??和HG??模式的产生。这一技术突破为未来集成光子芯片、光学计算和光通信等领域提供了新的可能性。HG模式是一组满足近轴波动方程的正交解，它们具有独特的空间强度分布，而LG模式则具有螺旋相位前沿和轨道角动量特性。HG模式在多个光学应用中扮演重要角色，例如精密光刻、光学传感、光镊、光通信以及引力波探测等。

当前的光学波前整形元件，如相位板和空间光调制器，通常体积较大，难以实现芯片级的集成。然而，近年来，基于等离激元超表面（metasurfaces）的技术因其在波前控制方面的优势，逐渐成为研究热点。等离激元超表面能够调节入射光波的振幅和相位，从而实现波前的精确控制。但这些超表面在非线性波前整形过程中面临高光学损耗、低损伤阈值以及非线性响应有限等问题。

相比之下，二维材料因其卓越的线性和非线性光学特性，成为构建微型光学器件的理想平台。特别是，NbOI?作为一种新型的铁电二维材料，展现出强烈的各向异性非线性光学响应。其在平面内表现出的铁电性不仅为构建能量存储设备提供了可能，还能通过外部刺激实现从铁电相到顺电相的相变，从而调控其光学性质。这种各向异性特性在光学传感、激光器和光探测器等设备中具有巨大潜力。

在本研究中，NbOI?光栅全息图被设计用于编码HG??和HG??模式的波前信息。通过二值振幅调制，全息图能够引导光波在非线性过程中形成所需的模式。研究人员利用聚焦离子束（FIB）技术在NbOI?薄片上直接刻蚀出这些全息图案，从而实现二次和三次谐波HG模式的生成。实验结果表明，所生成的二次谐波HG模式表现出极高的各向异性，其各向异性比达到14.95，而三次谐波HG模式的比值则达到4.85。这一结果展示了NbOI?在非线性光学应用中的巨大潜力。

此外，研究人员还通过分析偏振依赖的非线性发射，提取了NbOI?晶体中二次和三次非线性极化率张量元素的相对幅度。这些参数的精确测量有助于理解材料的非线性响应机制，并为设计更高效的光学器件提供了理论依据。所采用的光栅全息图不仅能够实现高各向异性非线性HG模式的生成，还具有良好的可调性，使得不同模式之间的转换效率得以优化。

为了进一步研究非线性响应的特性，研究人员对不同偏振方向下的二次和三次谐波发射进行了系统测量。实验结果表明，二次谐波的发射强度在偏振方向与晶体c轴平行时达到最大，而在垂直方向时显著降低，形成了双峰结构。而三次谐波的发射强度则表现出四叶草状的分布，其中最大值出现在与b轴成约42度角的方向上。这些各向异性响应不仅与材料的晶体结构有关，也与全息图的设计密切相关。

在实际应用方面，这些非线性HG模式的生成技术可以用于构建新型的偏振敏感非线性光学器件。例如，在光通信中，HG模式的正交性使得多路复用成为可能，从而显著提高数据传输容量。在量子光学领域，HG模式可用于生成压缩态和纠缠光子对，实现量子噪声的减少和量子干涉的增强。同时，由于NbOI?材料的各向异性特性，其在光学传感和激光器中的应用也展现出独特的优势。

实验中采用的设备和方法也值得借鉴。研究人员使用聚焦离子束（FIB）技术在NbOI?薄片上直接加工出所需的全息图案，这一过程能够精确控制光栅的周期和结构，从而优化非线性响应。同时，通过偏振控制和光谱分析，研究人员能够准确测量非线性信号的强度和分布，为后续器件的优化和应用提供了重要依据。

综上所述，这项研究不仅展示了NbOI?材料在非线性光学中的卓越性能，还提出了一种新颖的波前整形方法，使得HG模式的生成更加高效和可控。未来，这一技术有望在集成光子学、量子光学和先进光通信系统中发挥重要作用，推动光学技术向更小、更高效和更智能的方向发展。同时，随着对二维材料非线性响应机制的深入研究，可以进一步拓展其在光电子器件中的应用范围，为下一代光学设备的开发提供新的思路和方法。