通过合作布拉格衍射和准相位匹配产生光学轨道角动量

《Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications》：Generation of Optical Orbital Angular Momentum via Cooperative Bragg Diffraction and Quasi-Phase Matching

非线性光子晶体通过准相位匹配与线性布拉格衍射协同作用，首次利用飞秒激光 inscription 在1D结构中实现三维分形光栅集成，显著提升二次谐波角动量光束的转换效率（达10?2 W?1）与角度选择性，并验证了与固态激光器腔的兼容性，为红外OAM态检测及纠缠制备提供新方案。

　　

莫云涛|魏丹|刘新宇|魏敦兆

中国中山大学物理学院光电材料与技术国家重点实验室，广州510275

摘要

三维（3D）非线性光子晶体（NPC）能够直接生成和操控轨道角动量（OAM）模式，但其非线性转换效率仍受限于制造过程的复杂性，这阻碍了其在红外OAM状态检测和OAM纠缠演示中的应用。在这项工作中，我们提出了一种高效生成二次谐波（SH）OAM光束的集成方案，该方案通过一维NPC中的准相位匹配（QPM）和线性布拉格衍射的协同作用实现，其中首次使用飞秒激光写入（FLW）技术在1D NPC中刻写了三维叉形光栅。实验结果表明，增加光栅的层数可以提高衍射效率和SH光束的角度选择性。非线性转换效率达到了10^-2 W^-1的数量级。此外，通过将FLW制造的NPC集成到传统的固态激光器中，还展示了腔增强型SH OAM生成，验证了3D衍射光栅与腔内共振操作的兼容性。这项研究为非线性OAM光束的生成和控制提供了新的途径，可以应用于红外波段的OAM状态检测和可调波长OAM源的实现。

引言

非线性光子晶体（NPC）起源于准相位匹配（QPM）的概念[1]，最初由Berger在1998年提出[2]，在光频率转换和非线性光场操控方面具有显著优势，其结构设计已从一维（1D）周期性配置扩展到二维（2D）和三维（3D）结构[3]。在1D NPC中，周期性排列的二阶非线性系数[${\chi }^{\left(2\right)}$]提供了一个额外的倒易晶格矢量，以补偿三波混频过程中的波矢不匹配，即众所周知的QPM过程，确保了动量守恒，从而实现高效的非线性频率转换[4]。除了促进QPM外，2D NPC还能通过包括非线性体积全息术、傅里叶变换和非线性菲涅尔-惠更斯原理在内的理论框架，实现对1D光场的有效非线性操控[5]或对2D波前的低效控制[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。2018年，利用飞秒激光写入（FLW）技术成功制造出3D NPC，克服了2D NPC中的这种权衡[13]、[14]。3D NPC提供了丰富的倒易晶格矢量，可以同时实现QPM过程和2D波前操控，因此与非线性光束成形的效率相比提高了几个数量级[15]、[16]。值得注意的是，这种光场的3D调制非常适合生成结构化光束[17]。

作为研究最广泛的结构化场之一，光的轨道角动量（OAM）具有螺旋相位前缀exp(ilφ)[18]，这导致强度分布呈甜甜圈形状，中心具有相位奇点，并且具有一组无界的拓扑电荷（TC）l[19]。由于这些独特的性质，OAM光束在光镊[20]、[21]、成像[22]、[24]、旋转测量[25]、[26]、[27]、光加密[28]、[29]、[30]、高容量通信[31]、[32]、量子信息处理[33]等领域找到了极其广泛的应用。此外，OAM光束与非线性材料之间的非线性相互作用中的OAM守恒定律使得能够在新的频率下生成非线性OAM光束[34]、[35]、[36]、[37]，并展示了高维量子纠缠[38]、[39]、[40]。与依赖将OAM光束注入1D或2D NPC的非线性转换过程相比，3D NPC可以直接实现OAM光束的非线性生成和操控，但由于制造过程导致的结构尺寸限制，这一过程的效率仍然相对较低[15]、[16]。最近，我们通过结合FLW制造的3D结构中的线性布拉格衍射（LBD）和整个非线性晶体中的双折射相位匹配（BPM），进一步提高了OAM光束的非线性转换效率[41]。需要注意的是，这里使用的是3D折射率调制，而不是3D${\chi }^{\left(2\right)}$调制[42]。然而，BPM本质上会受到走离效应的影响，这会降低较长相互作用长度下的频率转换效率。

为了克服BPM的缺点，我们提出了一种通过在周期性极化的铌酸锂（PPLN）晶体（即1D NPC）内集成三维叉形光栅阵列来产生二次谐波（SH）OAM光束的策略，其中光栅阵列通过晶体的折射率调制进行再处理。实验表明，增加光栅阵列的层数可以提高布拉格衍射效率和SH光束的角度选择性。非线性OAM光束的转换效率达到了10^-2 W^-1的数量级。此外，通过将FLW制造的PPLN晶体集成到自制的Nd:YVO?激光腔中，即使只有几层叉形光栅结构，也能实现腔增强型SH过程，从而高效生成SH OAM光束。这项工作提出了一种生成和操控非线性OAM光束的新方法，可以应用于红外范围内的OAM状态并行检测和通过参量下转换演示OAM纠缠。

材料与方法

三维叉形光栅被刻写在掺杂了5% MgO的PPLN晶体中，晶体尺寸为4(x) × 2(y) × 0.5(z) mm3，沿x轴的极化周期为6.97 μm，使用自制的FLW配置[43]，如图1(a)所示。PPLN晶体安装在一个三轴压电纳米定位平台上，以便精确操控周期性阵列的制造。激光源（Astrella-Tunable-V-USP-1k，Coherent）用于执行FLW过程

结果与讨论

为了研究PPLN晶体中的QPM过程，我们在过滤掉二次谐波（FW）后，测量了在入射角θi = 0°时生成的SH功率与基波波长和功率的关系。图2(a)中的结果显示，SH功率对波长敏感。在基波功率为0.1 W时，SH功率在1060 nm处达到峰值，半高宽约为7 nm。在相位匹配波长1060 nm时，SH输出

结论

在这项工作中，我们提出了一个集成平台，通过结合QPM和LBD在NPC内直接生成非线性OAM光束。该晶体首先集成了一个三维叉形光栅和一维PPLN结构，其中光栅通过FLW调节折射率制造而成。实现了约10^-2 W^-1的非线性转换效率。我们进一步通过实验确认，增加光栅阵列的层数可以提高布拉格衍射效率和SH光束的角度选择性

未引用参考文献

[23]

CRediT作者贡献声明

魏丹：撰写——原始草稿。莫云涛：数据整理。魏敦兆：撰写——审稿与编辑，资金获取。刘新宇：数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（2021YFA1400803）、国家自然科学基金（12274474和12404376）、广东省自然科学基金（2022B1515020067、2024B1515040013）以及广州市基础与应用基础研究项目（SL2024A04J01846）的支持。