近日，我室研究生余晨（第一作者）和盛艳研究员（通讯作者）在期刊Optics Letters上发表了题为“Helically twisted nonlinear photonic crystals”的论文，文章链接：https://opg.optica.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-49-16-4745。
涡旋光，一种携带轨道角动量的光束，它们具有exp(−ilϕ)形式的相位波前，其中ϕ是横向平面上的方位角坐标，整数l是拓扑电荷。该光束在大容量通信和激光技术中有着广泛的应用。在非线性光学领域，产生该光束的主要方式就是利用叉形χ(2)光栅，但由于叉形χ(2)光栅是高斯偏振波和以一定角度传播的二次谐波涡旋光束之间干涉所产生的。在这种情况下，二次谐波被发射成多个阶次，从而降低了转换效率。本研究利用非线性波前调制的方法，研究了无相位奇点高斯泵浦光束在双螺旋非线性光子结构中产生二次谐波涡旋光束的情况，同时验证了二次谐波过程中轨道角动量守恒定律。
在本研究中，为了解决低效率的问题，使用共线(轴上)相互作用，其中高斯非线性极化和二次谐波涡旋波共线干涉生成螺旋χ(2)结构，如图1(a)所示，从而提高了二次谐波的产生效率。为了实现最大的转换效率，倒置畴结构的占空比设置为50%。在这些条件下，基波和
二次谐波的波向量满足一阶二次谐波过程k2−2k1=G的相位匹配条件，其中G表示傅里叶空间中畴结构的倒数向量。其中G = 2π/Λ，Λ表示三维螺旋结构沿y方向的周期。使用快速傅里叶变换方法预测倒易晶格向量的分布，如图1(b)所示。然后通过映射非线性埃瓦尔德球上的倒易晶格向量来计算二次谐波的远场强度分布，结果如图1(c)所示，表明二次谐波形成了一个中心暗的甜甜圈光束。之后利用飞秒激光诱导铁电畴反演技术，在铌酸锶钡晶体中制备了双螺旋χ(2)结构的非线性光子晶体。在此方案中，激光加工基本上不需要改变材料的线性光学性质，从而避免与折射率变化相关的损失。最后就是对生成的二次谐波涡旋光束的质量进行表征并验证了其轨道角动量的守恒，可以看出实验与理论相比具有较好的一致性。本研究对于控制新频率下的光的轨道角动量很有价值，这在光通信，激光工程和量子技术方面有广泛应用。
图1 具有扭曲畴结构的非线性光子晶体用于控制在新频率下携带轨道角动量的光。(a)设计的双螺旋非线性光子结构和计算的(b)其傅里叶变换;(c)产生的二次谐波光束远场分布。
图2二次谐波涡旋光束的质量表征