一种3D非线性光学非互易衍射元件的设计方法及其应用

一种3d非线性光学非互易衍射元件的设计方法及其应用
技术领域
1.本发明属于非线性光子学领域，具体是一种3d非线性光学非互易衍射元件的设计方法及其应用。


背景技术：

2.通过非互易器件对正向传输和反向传输的光分别引入不同的物理响应，如光学损耗、相移等，以产生依赖于传播方向的不对称波前整形，在光通信、光信息处理、基础物理研究以及交叉学科研究中都具有重要的意义。通常，实现不对称光场调控主要通过引入磁场或引入介电常数的时空调制或引入非线性这三种方法。其中，非线性超表面和非线性光子晶体是实现非线性调控的两种重要介质。现有研究表明，非线性超表面已经实现了不对称光场调控，但是利用非线性光子晶体实现不对称光场调控的工作还未见报道，这主要是因为当前还无法实现非互易非线性光子晶体器件的设计。
3.非线性光子晶体具有空间调制的二阶非线性系数χ
(2)
，在二阶非线性波前整形和非线性全息成像领域发挥着重要作用。空间调制的χ
(2)
分布提供了一组倒格子矢量，用于满足光频率转换过程中相互作用波之间的准相位匹配，从而实现高效率能量转换。此外，正负χ
(2)
微结构会产生相位差为π的非线性极化波，因此，在与入射光传播方向垂直的平面内调控χ
(2)
的空间分布，便可以实现有效的非线性波前整形。近年来，利用非线性光子晶体实现非线性波前整形主要有两种方式。第一种是非线性计算机生成全息图(opt.lett.36(15):3015-3017(2011))，但是此方法设计的非线性光子晶体形状复杂难以实际制备。第二种是迂回相位全息图(light:science&applications 10,146(2021)；nanoscale,13,2693(2021))，虽然此方法设计的非线性光子晶体容易实验制备，但是在实现二次谐波光场调控过程中仍具有两方面的缺点：一是非共线准相位匹配导致的二次谐波孪生像问题，这极大降低了光场调控的效率；二是无法实现不对称光场调控，这严重限制了非互易成像器件及非互易滤波器件的发展。
4.综上所述，消除二次谐波孪生像以提高波前整形的效率，以及实现不对称光场调控以推进非互易成像器件和非互易滤波器件的发展，具有重要的研究和实际应用价值。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是，针对现有非线性光子晶体器件无法实现不对称波前整形以及存在的二次谐波孪生像问题，提供一种3d非线性光学非互易衍射元件的设计方法及其应用，用以解决现有非线性光子晶体器件无法实现不对称光场调控以及二次谐波孪生像问题。本发明通过不同空间位置处的离散相位值确定不同3d基本单元模块在对应空间位置处的排布，可以对产生的二次谐波相位进行任意调控，并满足正向传输和反向传输情况下所产生的二次谐波相位相反，进而实现对二次谐波的不对称光场调控。
6.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种3d非线性光学非互易衍射元件的设计方法，所述的3d非线性光学非互易衍射元件包括多个在空间上排布的3d基本单元
模块，所述的3d非线性光学非互易衍射元件的设计方法为：
7.根据正向传输和反向传输情况对应的不对称目标二次谐波光场分布，确定全息平面不同空间位置处的离散相位分布，进而确定与每个离散相位一一对应的3d基本单元模块；
8.每个所述的3d基本单元模块包括反转铁电畴模块和铁电畴背景基底模块，通过设置反转铁电畴模块沿光束传播方向的移动距离控制反转铁电畴模块在该3d基本单元模块中的位置，并通过离散相位确定反转铁电畴模块在该3d基本单元模块中的位置，该离散相位的取值范围为-π到+π；
9.与所述的离散相位分布一一对应的3d基本单元模块分布构成所述的3d非线性光学非互易衍射元件。
10.作为优选，每个所述的3d基本单元模块中，反转铁电畴模块在光束传播方向上的厚度设计为该3d基本单元模块在光束传播方向上的厚度的一半；反转铁电畴模块在垂直于光束传播方向上的长度和宽度设计为与该3d基本单元模块在垂直于光束传播方向上的长度和宽度分别相等。采用此技术方案可以优化非线性衍射效率，保证每个3d基本单元模块中反转铁电畴模块的占空比为50％，从而产生最高的非线性衍射效率。
11.进一步地，每个所述的反转铁电畴模块包括多个反转铁电畴单元，每个所述的反转铁电畴单元在光束传播方向上的厚度设计为σy/nu，其中，nu为整数，取nu≥4，nu代表将连续相位[-π,+π]离散后的离散相位种类数，也即为所述的3d非线性光学非互易衍射元件中所有3d基本单元模块的种类数；σy＝2π/(k
2-2k1)，其中k1和k2分别为基频波矢和二次谐波波矢的大小。
[0012]
更进一步，每个所述的3d基本单元模块中，若反转铁电畴单元的个数nd与所述的3d非线性光学非互易衍射元件中所有3d基本单元模块的种类数nu之间的关系满足：nu＝2*nd，其中，nu表示所有3d基本单元模块可实现的离散相位的种类数；
[0013]
则根据正向传输和反向传输情况对应的不对称目标二次谐波光场分布的复杂程度，确定每个所述的3d基本单元模块中反转铁电畴单元的个数nd。
[0014]
上述技术方案中，每个3d基本单元模块中反转铁电畴单元的个数nd与3d非线性光学非互易衍射元件中所有3d基本单元模块的种类数nu之间的关系满足nu＝2*nd，可以在保证成像质量的前提下，尽可能增加非线性光学非互易衍射元件单位面积上携带的信息容量。
[0015]
进一步地，每个所述的3d基本单元模块中，将反转铁电畴模块中心偏离该3d基本单元模块中心的距离与该3d基本单元模块在光束传播方向上的厚度的比值记为p
nm
，则p
nm
与入射光通过该3d基本单元模块后积累的二次谐波相位之间的关系满足线性关系，表示为：
[0016]
则根据所述的线性关系，通过离散相位确定该3d基本单元模块中的反转铁电畴模块在该3d基本单元模块中的位置。
[0017]
上述技术方案中，的提出，直接将全息平面处每个像素的相位与光学元件中的每个3d基本单元模块的具体结构(即反转铁电畴模块与铁电畴背景基底模块的位置关系)之间建立一一对应关系。因此，利用正向传输和反向传输情况对应的不对称目标二次谐波光场分布求得全息平面上相位分布之后，通过线性关系式便可以对3d
非线性光学元件中对应像素处的3d基本单元模块进行重建，进而重建出整个3d非线性光学非互易衍射元件。
[0018]
作为优选，所述的根据正向传输和反向传输情况对应的不对称目标二次谐波光场分布，确定全息平面不同空间位置处的离散相位分布，具体过程为：对产生不对称目标二次谐波光场所需的全息平面上的连续相位分布进行nu等份离散，得到离散相位分布，其中，nu为所述的3d非线性光学非互易衍射元件中所有3d基本单元模块的种类数，nu表示所有3d基本单元模块可实现的离散相位的种类数。
[0019]
作为优选，通过飞秒激光直写在原始铁电畴上加工得到每个所述的3d基本单元模块的反转铁电畴模块和铁电畴背景基底模块。
[0020]
进一步地，所述的原始铁电畴采用均匀极化或自然生长的铌酸锂晶体或者均匀极化或自然生长的铌酸锶钡晶体或者均匀极化或自然生长的铌酸钙钡晶体。
[0021]
上述3d非线性光学非互易衍射元件的设计方法的应用，用于二次谐波产生及二次谐波不对称目标光场的光场调控，具体为：
[0022]
根据正向传输和反向传输情况对应的不对称目标二次谐波光场分布，确定全息平面不同空间位置处的连续相位分布，进而确定全息平面不同空间位置处的离散相位分布；
[0023]
采用权利要求1-8中任一项所述的一种3d非线性光学非互易衍射元件的设计方法设计得到的3d非线性光学非互易衍射元件，用于分别对正向传输和反向传输情况对应的不对称目标二次谐波相位进行在-π到+π范围内的任意调控，即当平面光入射该3d非线性光学非互易衍射元件时，满足正向传输和反向传输情况下所产生的二次谐波相位相反，进而实现对二次谐波的不对称光场调控。
[0024]
例如，本发明设计方法可用于不对称的二次谐波涡旋光产生，具体为：根据正向传输和反向传输情况对应的不对称目标二次谐波涡旋光，确定全息平面不同空间位置处的连续相位分布，进而确定全息平面不同空间位置处的离散相位分布；采用设计的3d非线性光学非互易衍射元件，用于正向传输和反向传输情况对应的不对称目标二次谐波涡旋光产生。
[0025]
又如，本发明设计方法可用于双通道光束导航和涡旋光产生，具体为：根据正向传输对应的光束导航和反向传输对应的涡旋光确定全息平面不同空间位置处的连续相位分布，进而确定全息平面不同空间位置处的离散相位分布；采用设计的3d非线性光学非互易衍射元件，用于正向传输产生光束导航和反向传输产生涡旋光。
[0026]
与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明方法设计的3d非线性光学非互易衍射元件由多个在空间上排布的特定的3d基本单元模块构成，3d基本单元模块由反转铁电畴模块和铁电畴背景基底模块构成，当基频线偏振平面波入射3d基本单元模块时，通过设置反转铁电畴模块沿光束传播方向的移动距离控制反转铁电畴模块在该3d基本单元模块中的位置，并通过离散相位确定反转铁电畴模块在该3d基本单元模块中的位置，可以对远场二次谐波相位产生在-π到+π范围的调控，并且正向传输和反向传输情况下所产生的二次谐波相位相反，进而实现对二次谐波的不对称光场调控。因此，当基频线偏振平面波入射3d非线性光学非互易衍射元件时，通过对不同3d基本单元模块在不同空间位置上的排布，可以对正向传输和反向传输情况下产生的二次谐波相位进行不对称调控，从而实现不对称二次谐波光场调控。本发明设计方法在满足不对称光场调控方面具有高度的实用性和灵活
性，可以根据目标不对称非线性波前的复杂程度设置3d基本单元模块的种类数量。本发明设计方法可解决现有非线性光子晶体器件无法实现不对称光场调控以及二次谐波孪生像问题。
附图说明
[0027]
图1为本发明实施例1提供的3d非线性光学非互易衍射元件的设计方法以及结构示意图；
[0028]
图2为本发明实施例1提供的3d非线性光学非互易衍射元件执行不对称二次谐波光场调控示意图及3d基本单元的不对称二次谐波相位调控示意图；
[0029]
图3为本发明实施例2提供的不对称二次谐波光束导航对应的3d非线性光学非互易衍射元件设计及产生的不对称二次谐波光场示意图；
[0030]
图4为本发明实施例2提供的不对称二次谐波涡旋光产生对应的3d非线性光学非互易衍射元件设计及产生的不对称二次谐波涡旋光示意图；
[0031]
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
[0032]
1为3d基本单元模块，2为反转铁电畴模块，21为反转铁电畴单元，3为铁电畴背景基底模块。
具体实施方式
[0033]
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
[0034]
实施例1：一种3d非线性光学非互易衍射元件的设计方法及其应用，如图1所示，该3d非线性光学非互易衍射元件包括多个在空间上排布的3d基本单元模块1，该3d非线性光学非互易衍射元件的设计方法为：
[0035]
根据正向传输和反向传输情况对应的不对称目标二次谐波光场分布，确定全息平面不同空间位置处的离散相位分布，进而确定与每个离散相位一一对应的3d基本单元模块1；
[0036]
每个3d基本单元模块1包括反转铁电畴模块2和铁电畴背景基底模块3，每个反转铁电畴模块2包括多个反转铁电畴单元21，通过设置反转铁电畴模块2沿光束传播方向的移动距离控制反转铁电畴模块2在该3d基本单元模块1中的位置，并通过离散相位确定反转铁电畴模块2在该3d基本单元模块1中的位置，该离散相位的取值范围为-π到+π；
[0037]
与离散相位分布一一对应的3d基本单元模块1分布构成3d非线性光学非互易衍射元件。
[0038]
上述设计方法中，确定全息平面不同空间位置处的离散相位分布，进而确定与每个离散相位一一对应的3d基本单元模块1，实际上是确定3d基本单元模块1的种类，该种类根据3d基本单元模块1所具有的特定结构能产生的离散相位确定，所述特定结构也就是该3d基本单元模块1中反转铁电畴模块2与铁电畴背景基底模块3的位置关系。需要说明的是，以图1所示的3d非线性光学非互易衍射元件作为示例，有八种3d基本单元模块1，也可以根据实际离散相位，确定其他种类的3d基本单元模块。3d非线性光学非互易衍射元件在工作时采用基频线偏振平面波(因为线偏振平面波的相干性高，最广泛地应用于激光与物质相互作用过程)入射各个3d基本单元模块1，通过设置反转铁电畴模块2沿光束传播方向的移
动距离控制反转铁电畴模块2在该3d基本单元模块1中的位置(也就是该3d基本单元模块1中反转铁电畴模块2与铁电畴背景基底模块3的位置关系)，并通过离散相位确定反转铁电畴模块在该3d基本单元模块1中的位置，可以使3d基本单元模块1用于对产生的远场二次谐波相位进行在-π到+π范围内的任意调控，并满足正向传输和反向传输情况下所产生的二次谐波相位相反，进而实现对二次谐波的不对称光场调控。因此，当基频线偏振平面波入射3d非线性光学非互易衍射元件时，通过对不同3d基本单元1在不同空间位置上的排布，可以对正向传输和反向传输情况下产生的二次谐波进行独立调控，进而实现不对称二次谐波光场调控，因而本发明3d非线性光学非互易衍射元件的设计方法具有高度的实用性和灵活性，可以根据目标二次谐波光场的复杂程度设置3d基本单元模块1的种类数量。
[0039]
需要说明的是，对不同3d基本单元模块1在不同空间位置上的排布规则满足：每个空间位置处的3d基本单元模块1产生的离散相位与全息平面上对应空间位置处的离散相位满足相等的关系。
[0040]
实施例1中，每个3d基本单元模块1中，反转铁电畴模块2在光束传播方向上的厚度设计为该3d基本单元模块1在光束传播方向上的厚度的一半；反转铁电畴模块2在垂直于光束传播方向上的长度和宽度设计为与该3d基本单元模块1在垂直于光束传播方向上的长度和宽度分别相等。此外，本实施例将每个反转铁电畴单元21在光束传播方向上的厚度设计为σy/nu，其中，nu为整数，取nu≥4，实施例1中取nu＝8，即实施例1中将连续相位[-π,+π]离散后的离散相位种类数为8，也即为3d非线性光学非互易衍射元件中所有3d基本单元模块1的种类数为8；σy＝2π/(k
2-2k1)，其中k1和k2分别为基频波矢和二次谐波波矢的大小。
[0041]
作为一种优选方案，每个3d基本单元模块1中，若反转铁电畴单元21的个数nd与3d非线性光学非互易衍射元件中所有3d基本单元模块1的种类数nu之间的关系满足：nu＝2*nd，其中，nu表示所有3d基本单元模块1可实现的离散相位的种类数。例如，如前所述，若每个3d基本单元模块1中反转铁电畴单元21的厚度设计为σy/nu，则每个反转铁电畴模块2在垂直于光束传播方向上的实际宽度为nd*σy/nu；反转铁电畴模块2在垂直于光束传播方向上的长度和宽度和3d基本单元模块1的长度和宽度均相等，其大小取决于加工精度和光场调控精度，实施例1中选取对应的长度和宽度分别为2μm。在此基础上，根据目标二次谐波光场分布的复杂程度以及非线性光学非互易衍射元件单位面积上携带的信息容量，确定每个3d基本单元模块1中反转铁电畴单元21的个数nd。实施例1中我们选取8个离散相位(-3π/4，-π/2，-π/4，0，π/4，π/2，3π/4，π)来实现目标光场再现，因此nd选为4，相应地nu＝2*nd＝8。
[0042]
作为另一种优选方案，每个3d基本单元模块1中，将反转铁电畴模块2的中心偏离该3d基本单元模块1的中心的距离与该3d基本单元模块1在光束传播方向上的厚度的比值记为p
nm
，则p
nm
与入射光通过该3d基本单元模块后积累的二次谐波相位之间的关系满足线性关系，表示为：则根据线性关系，通过离散相位确定该3d基本单元模块1中的反转铁电畴模块2在该3d基本单元模块1中的位置。如图2所示，3d非线性光学非互易衍射元件执行不对称二次谐波光场调控示意图及3d基本单元的不对称二次谐波相位调控示意图。3d非线性光学非互易衍射元件由一系列3d基本单元模块1构成；3d基本单元模块1中反转铁电畴模块2的中心位置偏离3d基本单元模块1的中心位置的距离记为p
nm
δy，δy为每个3d基本单元模块1在光束传播方向上的厚度，实施例1中设定σy＝2π/(k
2-2k1)以构建共线准相
位匹配条件，用于解决先前研究中存在的二次谐波孪生像问题。
[0043]
设定σy＝2π/(k
2-2k1)以构建共线准相位匹配条件，具体为：采用上述方法设计的3d非线性光学非互易衍射元件，其产生二次谐波过程中对应的准相位匹配关系式满足共线条件2k1+g＝k2，其中g是3d非线性光学非互易衍射元件对应的倒格子矢量，且与3d非线性光学非互易衍射元件厚度的σy满足关系式g＝2π/σy。共线型准相位匹配如图2(右上)所示。需要说明的是，之前参考文献中(light:science&applications 10,146(2021)；nanoscale,13,2693(2021))利用非线性光子晶体器件只能执行非共线型非线性拉曼-纳斯型准相位匹配。这种之前的非线性光子晶体器件产生的二次谐波与基频入射光不共线，而是对称分布在基波的两侧，称为二次谐波孪生像。实施例1中采用的共线型准相位匹配克服了现有二次谐波孪生像的问题，可以进一步提高3d非线性光学非互易衍射元件的工作效率。
[0044]
实施例1中，将二次谐波相位离散成八个分立的相位元素，此时3d基本单元模块1的种类数nu＝8，如图2的第二行图所示。八种3d基本单元模块1(p
nm
＝-4/8，-3/8，-1/4，-1/8，0，1/8，1/4，3/8)分别提供8个离散相位其中，p
nm
表示每个3d基本单元模块1中反转铁电畴模块2的中心偏离该3d基本单元模块1的中心的距离与该3d基本单元模块1的厚度的比值。图2(第三行)和图2(第四行)为基频入射光沿着y轴方向入射如图2(第二行)所示的8个3d基本单元模块1后出射二次谐波电场的振幅和相位。由结果可知，8个3d基本单元模块1产生相等的二次谐波振幅；8个3d基本单元模块1产生8个离散的二次谐波相位，且8个离散相位值构成以-π为首项以π/4为公差的递增数列；shg相位与p
nm
之间的关系式可以写为
[0045]
需要说明的是，实施例1中基频入射光正向传输和反向传输通过同一个3d基本单元时所产生的二次谐波相位相反。具体分析如下：实施例1中，3d基本单元模块1中的反转铁电畴模块2沿着光束传播方向(y轴)迂回，以产生满足的二次谐波迂回相位编码。实施例1中这种在光束传播方向上的迂回相位编码，会赋予正向传输和反向传输情况相反的p
nm
值，这会进一步导致相反的值。实施例1中正向传输和反向传输产生的相反二次谐波相位是构建非互易衍射元件以实现不对称光场调控的基础。
[0046]
因此，利用正向传输和反向传输情况对应的目标不对称二次谐波光场分布求得全息平面上相位分布之后，通过此公式便可以对3d非线性光学非互易衍射元件中对应像素处的3d基本单元模块进行重建，进而重建出整个3d非线性光学非互易衍射元件。由于基于此公式重建的3d基本单元模块具有50％的反转畴占空比，并且这种传播方向上的迂回相位编码方式满足共线型准相位匹配可消除二次谐波孪生像问题，因此利用本编码方法可极大提高二次谐波转化效率。
[0047]
作为优选，实施例1中，根据正向传输和反向传输情况对应的不对称目标二次谐波光场分布，确定全息平面不同空间位置处的离散相位分布，具体过程为：对产生不对称目标二次谐波光场所需的全息平面上的连续相位分布进行nu等份离散，得到离散相位分布，其中，nu为所述的3d非线性光学非互易衍射元件中所有3d基本单元模块的种类数，nu表示所有3d基本单元模块可实现的离散相位的种类数。
[0048]
3d非线性光学非互易衍射元件中3d基本单元模块1的位置排布按照其产生的相位与产生目标不对称光场的离散相位值一一对应的顺序排列。其中，目标不对称光场所需
离散相位的求取分两步，例如：先求取连续相位分布，再将求得的连续相位分布根据实际需求离散成八个分立的相位。基频线偏光入射所设计的3d非线性光学非互易衍射光学元件时，正向传输和反向传输情况下，透射的二次谐波光场分布与目标不对称光场一致。
[0049]
作为优选，通过飞秒激光直写在原始铁电畴上加工得到每个3d基本单元模块的反转铁电畴模块和铁电畴背景基底模块，原始铁电畴采用均匀极化或自然生长的铌酸锂晶体，或者原始铁电畴采用均匀极化或自然生长的铌酸锶钡晶体，或者原始铁电畴采用均匀极化或自然生长的铌酸钙钡晶体。自然生长的铌酸锶钡晶体或自然生长的铌酸钙钡晶体中具有(180度)反平行的针状铁电畴，并且这些针状反平行铁电畴容易通过激光直写方法实现铁电畴反转。进而采用这种自然生长的铌酸锶钡晶体或自然生长的铌酸钙钡晶体容易实现3d非线性光学非互易衍射元件的加工制造。
[0050]
实施例2：一种实施例1的3d非线性光学非互易衍射元件的设计方法的应用，用于不对称二次谐波光束导航，具体为：
[0051]
根据目标图案全息平面上的连续相位分布，确定多个离散相位；
[0052]
采用如上实施例1的设计方法设计得到3d非线性光学非互易衍射光学元件，用于不对称二次谐波光束导航。
[0053]
目标光场的连续相位指全息平面上的连续相位分布，通过目标不对称二次谐波光场分布和广义折射定律求得。
[0054]
如图3所示，为不对称
±
2.79
°
光束导航对应的3d非线性光学非互易衍射元件设计及产生的不对称二次谐波光束导航示意图。图3中的左上图为实现不对称
±
2.79
°
光束导航所需的目标二次谐波相位分布，此相位分布由广义折射定律求得。其中，上述不对称
±
2.79
°
光束导航具体为：正向传输情况下实现+2.79
°
的二次谐波光束导航；反向传输情况下实现-2.79
°
的二次谐波光束导航。为了便于后续编码，首先对连续相位分布进行八等份离散。根据相位相等原则和离散相位分布图，将八个3d基本单元模块依次排布，得到理论设计的3d非线性光学非互易衍射光学元件，构成3d全息图(如图3中上图所示)。3d非线性光学非互易衍射光学元件由八层畴结构构成，如图3下图所示。为了验证所提出的3d非线性光学非互易衍射元件的设计方法，通过数值计算验证了所设计3d非线性光学非互易衍射元件的不对称二次谐波光束导航功能。根据分步快速傅里叶变换光束传播方法，基频线偏振光正向传输和反向传输入射所设计的3d非线性光学非互易衍射光学元件时，数值计算的二次谐波光场强度分布如图3右上图所示。数值计算的不对称光束导航角为
±
2.8
°
，与理论值
±
2.79
°
吻合。
[0055]
实施例3：一种实施例1的3d非线性光学非互易衍射元件的设计方法的应用，用于不对称二次谐波涡旋光产生，具体为：
[0056]
根据目标图案全息平面上的连续相位分布，确定多个离散相位；
[0057]
采用如上实施例1的设计方法设计得到3d非线性光学非互易衍射光学元件，用于不对称二次谐波涡旋光产生。
[0058]
目标光场的连续相位指全息平面上的连续相位分布，通过目标不对称涡旋光的拓扑荷数求得。
[0059]
如图4所示，为不对称二次谐波涡旋光产生对应的3d非线性光学非互易衍射元件设计及产生的不对称二次谐波光场示意图。图4中的第一行分别是拓扑荷数为2的涡旋光相
位以及由此相位编码出的3d非线性光学非互易衍射元件(3d全息图)所对应的八层畴结构。为了验证所设计的3d非线性光学非互易衍射元件的不对称涡旋光产生能力，我们根据分步快速傅里叶变换光束传播方法对正向传输和反向传输情况下的二次谐波光场进行了计算。其中，当基频高斯线偏振光(此时涡旋光组分为0，即拓扑荷数lc_ff＝0)正向传输和反向传输入射3d非线性光学非互易衍射元件时，数值计算的二次谐波光场强度分布如图4(第二行)所示；当基频涡旋(拓扑荷数lc_ff＝2)线偏振光正向传输和反向传输入射3d非线性光学非互易衍射元件时，数值计算的二次谐波光场强度分布如图4(第三行)所示。其中，第1列为基频入射光的相位分布；第2-4列为基频入射光正向传输通过3d非线性光学非互易衍射光学元件后产生的二次谐波电场，其中，第2-3列为二次谐波的近场振幅和相位分布，第4列为二次谐波的远场强度分布；第5-7列为基频入射光反向传输通过3d非线性光学非互易衍射光学元件后产生的二次谐波电场，其中，第5-6列为二次谐波的近场振幅和相位分布，第7列为二次谐波的远场强度分布。根据环绕一周相位变化2π的次数便是拓扑荷数，我们可以得出：拓扑荷数为0(lc_ff＝0)的高斯基频光正向传输产生的二次谐波的拓扑荷数为2(lc_shg＝2)，反向传输产生的二次谐波的拓扑荷数为-2(lc_shg＝-2)；拓扑荷数为2(lc_ff＝2)的涡旋基频光正向传输产生的二次谐波的拓扑荷数为6(lc_shg＝6)，反向传输产生的二次谐波的拓扑荷数为2(lc_shg＝2)。结果表明：相同的基频光正向传输和反向传输通过所设计的3d非线性光学非互易衍射元件时，会产生不对称的二次谐波涡旋光，并且非线性过程当所满足的光学轨道角动量守恒定律可以写为lc_shg＝2*lc_ff
±
lc_holo。其中，“+”号对应正向传输情况；
“‑”
号对应反向传输情况；lc_shg、lc_ff、lc_holo分别为出射二次谐波、基频入射光、3d非线性光学非互易衍射元件所携带的光学轨道角动量拓扑荷数。
[0060]
综上，本发明涉及的3d非线性光学非互易衍射元件的设计方法及其应用，目的是实现不对称的二次谐波光场调控。本发明方法设计的3d非线性光学非互易衍射元件由多个在空间上排布的特定的3d基本单元模块构成，3d基本单元模块由反转铁电畴模块和铁电畴背景基底模块构成，当基频线偏振平面波入射3d基本单元模块时，通过设置反转铁电畴模块沿光束传播方向的移动距离控制反转铁电畴模块在该3d基本单元模块中的位置，并通过离散相位确定反转铁电畴模块在该3d基本单元模块中的位置，可以对远场二次谐波相位产生在-π到+π范围的调控，并且正向传输和反向传输情况下所产生的二次谐波相位相反，进而实现对二次谐波的不对称光场调控。本发明设计方法在满足不对称光场调控方面具有高度的实用性和灵活性，可以根据目标不对称非线性波前的复杂程度设置3d基本单元模块的种类数量。

技术特征：
1.一种3d非线性光学非互易衍射元件的设计方法，其特征在于，所述的3d非线性光学非互易衍射元件包括多个在空间上排布的3d基本单元模块，所述的3d非线性光学非互易衍射元件的设计方法为：根据正向传输和反向传输情况对应的不对称目标二次谐波光场分布，确定全息平面不同空间位置处的离散相位分布，进而确定与每个离散相位一一对应的3d基本单元模块；每个所述的3d基本单元模块包括反转铁电畴模块和铁电畴背景基底模块，通过设置反转铁电畴模块沿光束传播方向的移动距离控制反转铁电畴模块在该3d基本单元模块中的位置，并通过离散相位确定反转铁电畴模块在该3d基本单元模块中的位置，该离散相位的取值范围为-π到+π；与所述的离散相位分布一一对应的3d基本单元模块分布构成所述的3d非线性光学非互易衍射元件。2.根据权利要求1所述的一种3d非线性光学非互易衍射元件的设计方法，其特征在于，每个所述的3d基本单元模块中，反转铁电畴模块在光束传播方向上的厚度设计为该3d基本单元模块在光束传播方向上的厚度的一半；反转铁电畴模块在垂直于光束传播方向上的长度和宽度设计为与该3d基本单元模块在垂直于光束传播方向上的长度和宽度分别相等。3.根据权利要求2所述的一种3d非线性光学非互易衍射元件的设计方法，其特征在于，每个所述的反转铁电畴模块包括多个反转铁电畴单元，每个所述的反转铁电畴单元在光束传播方向上的厚度设计为σy/nu，其中，nu为整数，取nu≥4，nu代表将连续相位[-π,+π]离散后的离散相位种类数，也即为所述的3d非线性光学非互易衍射元件中所有3d基本单元模块的种类数；σy＝2π/(k
2-2k1)，其中k1和k2分别为基频波矢和二次谐波波矢的大小。4.根据权利要求3所述的一种3d非线性光学非互易衍射元件的设计方法，其特征在于，每个所述的3d基本单元模块中，若反转铁电畴单元的个数nd与所述的3d非线性光学非互易衍射元件中所有3d基本单元模块的种类数nu之间的关系满足：nu＝2*nd，其中，nu表示所有3d基本单元模块可实现的离散相位的种类数；则根据正向传输和反向传输情况对应的不对称目标二次谐波光场分布的复杂程度，确定每个所述的3d基本单元模块中反转铁电畴单元的个数nd。5.根据权利要求2所述的一种3d非线性光学非互易衍射元件的设计方法，其特征在于，每个所述的3d基本单元模块中，将反转铁电畴模块中心偏离该3d基本单元模块中心的距离与该3d基本单元模块在光束传播方向上的厚度的比值记为p
nm
，则p
nm
与入射光通过该3d基本单元模块后积累的二次谐波相位φ
nm
之间的关系满足线性关系，表示为：φ
nm
＝2πp
nm
；则根据所述的线性关系，通过离散相位确定该3d基本单元模块中的反转铁电畴模块在该3d基本单元模块中的位置。6.根据权利要求1所述的一种3d非线性光学非互易衍射元件的设计方法，其特征在于，所述的根据正向传输和反向传输情况对应的不对称目标二次谐波光场分布，确定全息平面不同空间位置处的离散相位分布，具体过程为：对产生不对称目标二次谐波光场所需的全息平面上的连续相位分布进行nu等份离散，得到离散相位分布，其中，nu为所述的3d非线性光学非互易衍射元件中所有3d基本单元模块的种类数，nu表示所有3d基本单元模块可实现的离散相位的种类数。7.根据权利要求1所述的一种3d非线性光学非互易衍射元件的设计方法，其特征在于，
通过飞秒激光直写在原始铁电畴上加工得到每个所述的3d基本单元模块的反转铁电畴模块和铁电畴背景基底模块。8.根据权利要求7所述的一种3d非线性光学非互易衍射元件的设计方法，其特征在于，所述的原始铁电畴采用均匀极化或自然生长的铌酸锂晶体或者均匀极化或自然生长的铌酸锶钡晶体或者均匀极化或自然生长的铌酸钙钡晶体。9.权利要求1-8中任一项所述的一种3d非线性光学非互易衍射元件的设计方法的应用，其特征在于，用于二次谐波产生及二次谐波不对称目标光场的光场调控，具体为：根据正向传输和反向传输情况对应的不对称目标二次谐波光场分布，确定全息平面不同空间位置处的连续相位分布，进而确定全息平面不同空间位置处的离散相位分布；采用权利要求1-8中任一项所述的一种3d非线性光学非互易衍射元件的设计方法设计得到的3d非线性光学非互易衍射元件，用于分别对正向传输和反向传输情况对应的不对称目标二次谐波相位进行在-π到+π范围内的任意调控，即当平面光入射该3d非线性光学非互易衍射元件时，满足正向传输和反向传输情况下所产生的二次谐波相位相反，进而实现对二次谐波的不对称光场调控。

技术总结
本发明公开的3D非线性光学非互易衍射元件的设计方法根据正向传输和反向传输情况对应的不对称目标二次谐波光场分布，确定全息平面不同空间位置处的离散相位分布；由单个离散相位确定对应的单个3D基本单元模块，即通过设置每个3D基本单元模块中反转铁电畴模块沿光束传播方向的移动距离控制反转铁电畴模块在该3D基本单元模块中的位置，并通过离散相位确定反转铁电畴模块在该3D基本单元模块中的位置，该离散相位的取值范围为-π到+π；与离散相位分布一一对应的3D基本单元模块分布构成3D非线性光学非互易衍射元件。本发明可用于设计非互易非线性光子晶体器件，解决非线性光子晶体器件无法实现不对称光场调控以及二次谐波孪生像问题。波孪生像问题。波孪生像问题。


技术研发人员：王炳霞 贺志豪 李依霖 沈祥
受保护的技术使用者：宁波大学
技术研发日：2023.03.10
技术公布日：2023/8/23