【摘要】：近年來,渦旋光引起了研究者們的廣泛關(guān)注,這是由于其攜帶的光子軌道角動(dòng)量可以被廣泛應(yīng)用于粒子捕獲及操控、成像、天文觀測(cè)、轉(zhuǎn)速探測(cè)、量子通訊等領(lǐng)域。不同的應(yīng)用對(duì)于渦旋光的頻率提出了不同的要求,所以拓展渦旋光輸出頻率是其實(shí)際應(yīng)用的前提�；跍�(zhǔn)相位匹配機(jī)制,具有周期疇結(jié)構(gòu)分布的非線性光子晶體可以對(duì)光頻率進(jìn)行高效的轉(zhuǎn)換,可以應(yīng)用于渦旋光的頻率調(diào)控。然而,作為一種高階空間模式,渦旋光的準(zhǔn)相位匹配非線性過程與基模高斯光有明顯的區(qū)別:渦旋光束攜帶的軌道角動(dòng)量在非線性頻率轉(zhuǎn)換過程中同樣會(huì)發(fā)生變化。本文主要基于不同結(jié)構(gòu)的非線性光子晶體中的倍頻、三倍頻過程,在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)渦旋光的頻率調(diào)控;理論上將平面波三波耦合方程拓展至含交疊積分的高階模式耦合方程,基于此研究了渦旋光的參量放大過程;此外,還拓展研究了散射光參與的級(jí)聯(lián)準(zhǔn)相位匹配過程。主要研究成果如下:(1)利用一維級(jí)聯(lián)周期極化晶體和準(zhǔn)周期極化晶體,研究了渦旋光束的準(zhǔn)相位匹配倍頻、三倍頻過程,驗(yàn)證了軌道角動(dòng)量守恒定律。利用拓?fù)潆姾蔀?的基波渦旋光,能得到拓?fù)潆姾蓴?shù)可以達(dá)到6和9的倍頻、三倍頻渦旋光。在準(zhǔn)周期性極化樣品中,當(dāng)入射基波能量為7 mJ時(shí),所得到倍頻渦旋光效率能達(dá)到10%以上,三倍頻效率能達(dá)到1%。這種方法可以實(shí)現(xiàn)大拓?fù)潆姾蓴?shù)、短波長(zhǎng)的渦旋光輸出,拓展其工作范圍。(2)利用二維周期性極化非線性晶體,研究了軌道角動(dòng)量光束倍頻復(fù)制。利用一塊極化周期為5.5μm的四角點(diǎn)陣非線性晶體,在基波波長(zhǎng)分別為945 nm,926 nm和906 nm時(shí),利用不同階數(shù)的倒格矢,可以同時(shí)得到多個(gè)倍頻渦旋光束輸出。(3)發(fā)展了一種利用單柱透鏡測(cè)量高階拉蓋爾高斯模式的簡(jiǎn)單方法,并且利用這種方法實(shí)驗(yàn)研究了高階拉蓋爾—高斯光束在準(zhǔn)相位匹配倍頻過程中徑向量子數(shù)、角向量子數(shù)的變化規(guī)律,即角向量子數(shù)和徑向量子數(shù)都出現(xiàn)了高階(翻倍)成份。(4)我們利用耦合波方程對(duì)于渦旋光束的光參量放大過程進(jìn)行研究。基于高階模式三波耦合方程,計(jì)算出了空間模式交疊積分的解析解;以光參量放大過程為例,提出了對(duì)拉蓋爾—高斯模式(徑向量子數(shù)為0,角向量子數(shù)為1)進(jìn)行光參量放大的最優(yōu)方案,在實(shí)現(xiàn)高增益的同時(shí)可保證模式純度。(5)首次在二維非線性光子晶體體系下實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到散射光參與的錐形三倍頻信號(hào)。由于晶體中疇界、缺陷的存在,產(chǎn)生了方向隨機(jī)分布的散射基波光。我們實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了散射光可以參與到級(jí)聯(lián)準(zhǔn)相位匹配三倍頻過程中,得到了錐形分布的三倍頻信號(hào)。該結(jié)果拓展了散射光參與的準(zhǔn)相位匹配機(jī)制,是一種新的產(chǎn)生短波長(zhǎng)錐形光束的方法。
【圖文】：

種最基本的渦旋光，其電場(chǎng)表達(dá)式如下所示：逡逑Ｅ（ｒ，０）邋＝邐ｅｘｐ（－＾Ｔ）ｅｘｐ（；７？）ｅｘｐ（－／７＾）Ｗ邐的廣逡逑項(xiàng)ｅｘｐ（－＃）的存在，環(huán)形渦旋光束具有相位奇異點(diǎn)，中心斯（Ｌａｇｕｅｒｒｅ－Ｇａｕｓｓｉａｎ，ＬＧ）光束［２１逡逑，拉蓋爾高斯模式是麥克斯韋方程組的一組正交基底。柱下所示：逡逑Ｅ（ｘ，ｙ）邋＝邋Ｅ／－ｒ２，＾ｅ－ｉｌｖ（－＼ｒ（ｒｙｆ２邋／邋ｗ）１邋ｌ�。穑玻颍插澹澹鳎玻�，，ｐ邋＝邋ａｒＣｔａｎ（．ｖＡ）為徑向量子數(shù)，可以取所有的非負(fù)整表示光束束腰�？梢园l(fā)現(xiàn)ＬＧ模式中的角向量子數(shù)恰恰拓?fù)潆姾蓴?shù)的概念。逡逑

第一章緒論逡逑如圖１．１所示，我們根據(jù)ＬＧ模式的電場(chǎng)表達(dá)式得到了不同的徑向量子數(shù)與角逡逑向量子數(shù)的ＬＧ光束的光斑的光強(qiáng)以及相位分布（不失一般性，數(shù)值均歸一化），逡逑可以發(fā)現(xiàn)，從光強(qiáng)分布上看，角向量子數(shù)／與光斑中心暗核的大小有關(guān)，徑向量子逡逑數(shù)決定了光強(qiáng)徑向分布，徑向量子數(shù)為的ＬＧ模式具有（ｐ＋７）個(gè)同心環(huán)光強(qiáng)分布。逡逑從相位上看，角向量子數(shù)決定了一個(gè)周期內(nèi)相位從0變到２ｔｉ的次數(shù)，而的逡逑ＬＧ模式不同環(huán)之間相位相差７Ｔ。逡逑除此外，常見的渦旋光束還包括馬休光束Ｐ，３８］、貝塞爾－高斯光束［３９￣４（）］等，但逡逑是本論文不涉及此方面內(nèi)容，故不在此贅述。逡逑１．１．２渦旋光的產(chǎn)生逡逑常見的渦旋光產(chǎn)生方法包括柱透鏡模式轉(zhuǎn)換器［４Ｍ３］、計(jì)算全息法［４Ｍ５］、空間逡逑光調(diào)制器［４６，４７］、螺旋相位板［４８＇５（）］等。逡逑ＨＧｏｉ邋｜邐爪邋一邋＋２逡逑（ａ）邐（ｂ）逡逑Ａ邐ｉ逡逑Ｓｐｉｒａｌ邋Ｐｈａｓｅ邋Ｐｌａｔｅ逡逑（ｃ）邐（ｄ）逡逑圖１．２常見的渦旋光產(chǎn)生方式逡逑柱透鏡？ｒ／２模式轉(zhuǎn)換器（７Ｔ／２邋ｍｏｄｅ邋ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）由一對(duì)距離為萬／邋（／代表柱透鏡焦逡逑距）柱透鏡構(gòu)成
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O734

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本文編號(hào)：2636451