本申請涉(she)及(ji)非線性(xing)光束整形，具(ju)體(ti)涉(she)及(ji)一種用(yong)于產生環形光束的非線性(xing)光學器件(jian)及(ji)其制(zhi)備方法。

背景技術：

1、環(huan)(huan)形(xing)(xing)(xing)光(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)是(shi)一(yi)種(zhong)結構光(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)，其振(zhen)幅分(fen)布以中心(xin)孔徑和環(huan)(huan)形(xing)(xing)(xing)輻射為(wei)特(te)征。環(huan)(huan)形(xing)(xing)(xing)光(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)的線(xian)(xian)性(xing)(xing)產生是(shi)通過特(te)殊光(guang)(guang)(guang)學(xue)元(yuan)件(jian)(如衍射光(guang)(guang)(guang)學(xue)元(yuan)件(jian)、空間光(guang)(guang)(guang)調(diao)制器、相(xiang)位(wei)板(ban)、超材料)調(diao)整入(ru)射光(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)的相(xiang)位(wei)和振(zhen)幅。相(xiang)比之下，非線(xian)(xian)性(xing)(xing)光(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)整形(xing)(xing)(xing)具有同時實(shi)現頻率轉(zhuan)換和光(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)強度轉(zhuan)換的優勢，但其相(xiang)關(guan)研究(jiu)仍然非常有限。非線(xian)(xian)性(xing)(xing)光(guang)(guang)(guang)子(zi)晶(jing)體通過周(zhou)期性(xing)(xing)地改變二階非線(xian)(xian)性(xing)(xing)光(guang)(guang)(guang)學(xue)系數(χ(2))來實(shi)現準相(xiang)位(wei)匹(pi)配過程，受到非線(xian)(xian)性(xing)(xing)環(huan)(huan)形(xing)(xing)(xing)光(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)整形(xing)(xing)(xing)領域的關(guan)注。

2、近紅外飛秒激光空間(jian)調制(zhi)二階非(fei)(fei)線(xian)性(xing)系數的技(ji)術(shu)用于制(zhi)造三維(wei)非(fei)(fei)線(xian)性(xing)光子晶(jing)體。與二維(wei)非(fei)(fei)線(xian)性(xing)光子晶(jing)體相(xiang)比，三維(wei)非(fei)(fei)線(xian)性(xing)光子晶(jing)體提(ti)供了一個額外的維(wei)度，以確保(bao)滿足準相(xiang)位匹配條件。

3、目前，用(yong)于環(huan)形光束整形的三(san)維非線性光子晶體(ti)主要(yao)有(you)兩(liang)種結構(gou)：

4、一種是通過二進(jin)制(zhi)計算機(ji)生成全息圖理論(lun)得到(dao)的三維叉形(xing)(xing)光(guang)柵非線性光(guang)子晶體(ti)。例如，2019年的利用飛秒激光(guang)在鈮酸鋰中制(zhi)造了(le)三維叉形(xing)(xing)光(guang)柵狀非線性光(guang)子晶體(ti)的相關性研究。與二維情況相比，非線性光(guang)束(shu)整形(xing)(xing)的轉換效(xiao)率提高了(le)兩個數(shu)量(liang)級；

5、另一種方法是利用基于非(fei)線(xian)性體全息理(li)論的三維螺(luo)(luo)旋(xuan)非(fei)線(xian)性光(guang)子晶體。2020年(nian)imbrock等人(ren)展示了利用螺(luo)(luo)旋(xuan)非(fei)線(xian)性結構進行二次諧(xie)波光(guang)束整形的概(gai)念。

6、然(ran)而，三維非(fei)線(xian)性光(guang)(guang)子晶體復雜的(de)橫截面結(jie)構(gou)仍然(ran)是一個挑戰(zhan)。飛秒激光(guang)(guang)加工沿深(shen)度(du)方(fang)向的(de)光(guang)(guang)學(xue)分辨率(lv)相對較低(di)。此外，在加工系統(tong)中(zhong)使用(yong)電動平臺(tai)會(hui)(hui)在制造連續變化的(de)光(guang)(guang)滑結(jie)構(gou)時會(hui)(hui)產生誤(wu)差(cha)。因此，三維非(fei)線(xian)性光(guang)(guang)子晶體結(jie)構(gou)誤(wu)差(cha)通(tong)常比低(di)維非(fei)線(xian)性光(guang)(guang)子晶體更嚴重。這可能(neng)會(hui)(hui)破壞非(fei)線(xian)性光(guang)(guang)子晶體的(de)相位匹配，使其無(wu)法(fa)實現所(suo)需的(de)非(fei)線(xian)性光(guang)(guang)學(xue)功能(neng)。

7、為了簡(jian)化三(san)維(wei)非線性(xing)(xing)(xing)光(guang)(guang)(guang)子晶(jing)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)制造過程(cheng)并(bing)減少制造誤差，liu等(deng)人提出了一(yi)種由四個單元組成(cheng)的(de)(de)(de)離散化結構(gou)。這種通用簡(jian)化結構(gou)既解決(jue)了與復(fu)雜三(san)維(wei)結構(gou)相(xiang)關(guan)的(de)(de)(de)制造難題(ti)，又(you)保留了預先設計(ji)的(de)(de)(de)三(san)維(wei)非線性(xing)(xing)(xing)光(guang)(guang)(guang)子晶(jing)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)功能。然而(er)，隨著環形光(guang)(guang)(guang)束(shu)拓撲電(dian)荷(he)的(de)(de)(de)增加(jia)，結構(gou)的(de)(de)(de)復(fu)雜性(xing)(xing)(xing)和(he)相(xiang)應(ying)離散化單元的(de)(de)(de)數(shu)量也隨之(zhi)增加(jia)。為了降低制造難度(du)，需要(yao)采用更(geng)大(da)的(de)(de)(de)采樣周期，但這種方法仍然面臨破壞(huai)非線性(xing)(xing)(xing)光(guang)(guang)(guang)子晶(jing)體(ti)(ti)相(xiang)位(wei)匹(pi)配的(de)(de)(de)潛在(zai)問題(ti)。中心(xin)暗斑(ban)(ban)比(bi)(bi)用"c"表示，代(dai)表光(guang)(guang)(guang)束(shu)內徑和(he)外徑的(de)(de)(de)比(bi)(bi)值。它反映了中心(xin)暗斑(ban)(ban)尺寸與光(guang)(guang)(guang)束(shu)寬度(du)的(de)(de)(de)比(bi)(bi)例，是環形光(guang)(guang)(guang)束(shu)的(de)(de)(de)一(yi)個重要(yao)特征參數(shu)。因此，有必(bi)要(yao)提供一(yi)種易于制造的(de)(de)(de)三(san)維(wei)非線性(xing)(xing)(xing)光(guang)(guang)(guang)子晶(jing)體(ti)(ti)結構(gou)，以便生成(cheng)具有更(geng)大(da)中心(xin)暗斑(ban)(ban)比(bi)(bi)的(de)(de)(de)環形光(guang)(guang)(guang)束(shu)。

技術實現思路

1、本申請(qing)提(ti)供(gong)一種用于產生(sheng)環形光(guang)束的(de)非(fei)線(xian)性光(guang)學器件(jian)及(ji)其制備方法(fa)，可以解決(jue)現(xian)有技術中有關(guan)產生(sheng)環形光(guang)束的(de)三(san)維非(fei)線(xian)性光(guang)子晶體(ti)結(jie)構存(cun)在的(de)制造困難的(de)技術問題。

2、第一(yi)方面，本申(shen)請提供了一(yi)種用(yong)于產生環形光束的(de)非線性(xing)光學器件的(de)制備方法(fa)，包括(kuo)以下步(bu)驟：

3、步驟s1、根據泵(beng)浦光束的分布特性和準相(xiang)位(wei)匹配機制，設計空心(xin)圓柱(zhu)狀準相(xiang)位(wei)匹配光柵的整形結構；

4、步驟s2、利用飛秒激(ji)光對(dui)鐵電晶(jing)體(ti)進(jin)行改性，誘(you)導鐵電晶(jing)體(ti)的二階非線性系數的空間分布形態為(wei)所述(shu)整形結構，制備得到非線性光學器件(jian)；

5、當泵(beng)浦光束入射至制備得到(dao)的所述非線性光學器(qi)件時，產生環形二次(ci)諧波(bo)光束。

6、結(jie)(jie)合第一(yi)方面，在一(yi)種實施(shi)方式中，步驟s1中，在所(suo)述泵浦光(guang)束的(de)(de)分(fen)布特性滿足高斯分(fen)布的(de)(de)情況下，所(suo)述整(zheng)形結(jie)(jie)構(gou)的(de)(de)外圓直(zhi)徑與所(suo)述泵浦光(guang)束的(de)(de)外直(zhi)徑相同；通過改變空心(xin)圓柱狀準相位匹配光(guang)柵的(de)(de)整(zheng)形結(jie)(jie)構(gou)的(de)(de)空心(xin)比，生成的(de)(de)環形光(guang)束可實現二維全(quan)波面上的(de)(de)中心(xin)暗(an)斑比線性調(diao)節。

7、結合第一方面，在一種(zhong)實施方式(shi)中，步驟s2中，采用的(de)所述飛秒激光的(de)焦點(dian)能(neng)量大(da)于聚焦位(wei)置的(de)鐵電晶體損傷閾值。

8、結合第一方面(mian)，在一種(zhong)實施方式中，步驟s2中，鐵(tie)電晶體對(dui)所述飛秒激光的波長是(shi)透明(ming)的。

9、結(jie)合第一方面，在一種實(shi)施(shi)方式(shi)中，步驟(zou)s2中，所述飛(fei)秒激光為近紅外飛(fei)秒激光。

10、結合第一(yi)方面，在一(yi)種實施(shi)方式中(zhong)，步驟s2中(zhong)，隨著(zhu)改(gai)性時加工深度的(de)(de)增加，調整所述(shu)飛秒激光(guang)的(de)(de)脈沖能量，用于補償由像差和(he)吸(xi)收損耗引(yin)起(qi)的(de)(de)焦斑(ban)畸變。

11、結(jie)合第一(yi)方(fang)(fang)面，在一(yi)種實施方(fang)(fang)式中(zhong)，所(suo)述(shu)調整所(suo)述(shu)飛秒(miao)激(ji)光的脈沖(chong)能量，具體包括以下步驟：

12、所述(shu)脈(mo)沖能量(liang)通過衰減(jian)器從晶體表面下預設深(shen)度開始由下至(zhi)上調整所述(shu)飛(fei)秒激(ji)光的脈(mo)沖能量(liang)。

13、結合(he)第(di)一方面(mian)，在(zai)一種實施方式中，還包括(kuo)以(yi)下步驟(zou)：

14、對產生的(de)所述環形二次諧(xie)波光束進行特(te)征測量，基(ji)于得到的(de)測量結(jie)果驗證所述非線性光學器件(jian)的(de)性能。

15、第二方(fang)面，一種(zhong)用于(yu)產(chan)生環形光(guang)束(shu)的(de)非線(xian)(xian)性光(guang)學器件，采用如上的(de)用于(yu)產(chan)生環形光(guang)束(shu)的(de)非線(xian)(xian)性光(guang)學器件的(de)制(zhi)備(bei)方(fang)法制(zhi)備(bei)得(de)到。

16、本申請實施例提供的技術方案(an)帶來的有益效果至(zhi)少包(bao)括(kuo)：

17、本申請制備方法制備得(de)到(dao)的(de)非線性光學器件，可以經泵(beng)浦光束入射后產生環形(xing)二次(ci)諧波(bo)光束，同時實現環形(xing)光束和二倍頻；

18、本(ben)申(shen)請提供空心圓(yuan)(yuan)柱體用于(yu)產生環形光(guang)束的非(fei)線(xian)性光(guang)學器(qi)件的制備方法，相比于(yu)傳統(tong)的叉形或螺(luo)旋形結(jie)構非(fei)線(xian)性光(guang)學器(qi)件的制備工藝，既降(jiang)低了(le)加工難度，又(you)能通(tong)過改變(bian)圓(yuan)(yuan)柱形結(jie)構的空心比來線(xian)性調(diao)節(jie)有效控制光(guang)束中心暗斑比，為產生環形光(guang)束提供了(le)一種具有競爭(zheng)力的非(fei)線(xian)性光(guang)學器(qi)件產品(pin)。

技術特征：

1.一種用(yong)于(yu)產生環形光束的(de)(de)非線性光學器件(jian)的(de)(de)制備方法，其特(te)征(zheng)在于(yu)，包括以下步驟：

2.如權利(li)要求(qiu)1所(suo)述的(de)(de)(de)(de)(de)用于(yu)產生環形(xing)光(guang)束的(de)(de)(de)(de)(de)非線性(xing)光(guang)學器件的(de)(de)(de)(de)(de)制備(bei)方法，其特(te)征在(zai)于(yu)，步驟(zou)s1中，在(zai)所(suo)述泵浦光(guang)束的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)布(bu)(bu)特(te)性(xing)滿(man)足高斯分(fen)布(bu)(bu)的(de)(de)(de)(de)(de)情(qing)況(kuang)下，所(suo)述整(zheng)(zheng)形(xing)結(jie)構的(de)(de)(de)(de)(de)外圓直徑與所(suo)述泵浦光(guang)束的(de)(de)(de)(de)(de)外直徑相(xiang)(xiang)同，并(bing)通過改變空心(xin)(xin)圓柱狀準(zhun)相(xiang)(xiang)位匹配光(guang)柵的(de)(de)(de)(de)(de)整(zheng)(zheng)形(xing)結(jie)構的(de)(de)(de)(de)(de)空心(xin)(xin)比，生成的(de)(de)(de)(de)(de)環形(xing)光(guang)束可實現二維全(quan)波面(mian)上的(de)(de)(de)(de)(de)中心(xin)(xin)暗斑比線性(xing)調節(jie)。

3.如(ru)權利要(yao)求1所述的用于(yu)(yu)產生環形(xing)光(guang)束的非(fei)線性(xing)光(guang)學器件的制備方法(fa)，其特征(zheng)在于(yu)(yu)，步驟s2中，采用的所述飛秒激光(guang)的焦點能量大于(yu)(yu)聚(ju)焦位置(zhi)的鐵電晶體(ti)損傷閾值。

4.如權利要求1所述(shu)(shu)的(de)(de)用于產(chan)生環形光束的(de)(de)非(fei)線性光學器件的(de)(de)制備方法，其特(te)征在于，步驟s2中(zhong)，鐵電晶(jing)體(ti)對(dui)所述(shu)(shu)飛秒激光的(de)(de)波長是(shi)透明的(de)(de)。

5.如權利(li)要求(qiu)1所(suo)述(shu)的(de)用于(yu)(yu)產(chan)生(sheng)環形(xing)光(guang)(guang)束的(de)非線性光(guang)(guang)學器件的(de)制備方法，其特征在于(yu)(yu)，步驟s2中，所(suo)述(shu)飛(fei)秒激光(guang)(guang)為近紅(hong)外(wai)飛(fei)秒激光(guang)(guang)。

6.如權利要求1所述(shu)的用于(yu)產生環形光(guang)束的非(fei)線性(xing)(xing)光(guang)學器(qi)件的制(zhi)備方法，其特征在于(yu)，步驟s2中，隨著改性(xing)(xing)時加工深度的增加，調整所述(shu)飛秒激(ji)光(guang)的脈沖能量，用于(yu)補償由像差和吸(xi)收損耗引(yin)起(qi)的焦斑畸(ji)變。

7.如權利(li)要求6所(suo)述(shu)的用(yong)于產生環(huan)形光(guang)束的非線性光(guang)學(xue)器(qi)件的制備方法(fa)，其特(te)征在于，所(suo)述(shu)調(diao)整所(suo)述(shu)飛(fei)秒激光(guang)的脈沖能量，具體包括(kuo)以下(xia)步(bu)驟：

8.如(ru)權利要求1所(suo)述(shu)的用(yong)于(yu)產生環形光束的非線性光學器件的制備方法，其特征在于(yu)，還包括(kuo)以下步驟：

9.一種用(yong)(yong)(yong)于產(chan)生(sheng)(sheng)環形光(guang)(guang)束的(de)非線性光(guang)(guang)學(xue)器件，其特征在于，采用(yong)(yong)(yong)如權利(li)要求1-8所述的(de)用(yong)(yong)(yong)于產(chan)生(sheng)(sheng)環形光(guang)(guang)束的(de)非線性光(guang)(guang)學(xue)器件的(de)制(zhi)備方法(fa)制(zhi)備得到。

技術總結
本申請提供了用于產生環形光束的非線性光學器件及其制備方法，制備方法包括以下步驟：根據泵浦光束的分布特性和準相位匹配機制，設計空心圓柱狀準相位匹配光柵的整形結構；利用飛秒激光對鐵電晶體進行改性，誘導鐵電晶體的二階非線性系數的空間分布形態為所述整形結構，制備得到非線性光學器件；當泵浦光束入射至制備得到的所述非線性光學器件時，產生環形二次諧波光束。本申請提供的制備方法制備得到的非線性光學器件，能夠同時實現環形光束和二倍頻；本申請制備方法既降低了加工難度，又能有效控制光束中心暗斑比，為產生環形光束提供了一種具有競爭力非線性光學器件產品。

技術研發人員：曹強,王若楠
受保護的技術使用者：武漢大學
技術研發日：
技術公布日：2024/9/29