用于产生环形光束的非线性光学器件及其制备方法

本申请涉及非线性光束整形，具体涉及一种用于产生环形光束的非线性光学器件及其制备方法。

背景技术：

1、环形光束是一种结构光束，其振幅分布以中心孔径和环形辐射为特征。环形光束的线性产生是通过特殊光学元件(如衍射光学元件、空间光调制器、相位板、超材料)调整入射光束的相位和振幅。相比之下，非线性光束整形具有同时实现频率转换和光束强度转换的优势，但其相关研究仍然非常有限。非线性光子晶体通过周期性地改变二阶非线性光学系数(χ(2))来实现准相位匹配过程，受到非线性环形光束整形领域的关注。

2、近红外飞秒激光空间调制二阶非线性系数的技术用于制造三维非线性光子晶体。与二维非线性光子晶体相比，三维非线性光子晶体提供了一个额外的维度，以确保满足准相位匹配条件。

3、目前，用于环形光束整形的三维非线性光子晶体主要有两种结构：

4、一种是通过二进制计算机生成全息图理论得到的三维叉形光栅非线性光子晶体。例如，2019年的利用飞秒激光在铌酸锂中制造了三维叉形光栅状非线性光子晶体的相关性研究。与二维情况相比，非线性光束整形的转换效率提高了两个数量级；

5、另一种方法是利用基于非线性体全息理论的三维螺旋非线性光子晶体。2020年imbrock等人展示了利用螺旋非线性结构进行二次谐波光束整形的概念。

6、然而，三维非线性光子晶体复杂的横截面结构仍然是一个挑战。飞秒激光加工沿深度方向的光学分辨率相对较低。此外，在加工系统中使用电动平台会在制造连续变化的光滑结构时会产生误差。因此，三维非线性光子晶体结构误差通常比低维非线性光子晶体更严重。这可能会破坏非线性光子晶体的相位匹配，使其无法实现所需的非线性光学功能。

7、为了简化三维非线性光子晶体的制造过程并减少制造误差，liu等人提出了一种由四个单元组成的离散化结构。这种通用简化结构既解决了与复杂三维结构相关的制造难题，又保留了预先设计的三维非线性光子晶体的功能。然而，随着环形光束拓扑电荷的增加，结构的复杂性和相应离散化单元的数量也随之增加。为了降低制造难度，需要采用更大的采样周期，但这种方法仍然面临破坏非线性光子晶体相位匹配的潜在问题。中心暗斑比用"c"表示，代表光束内径和外径的比值。它反映了中心暗斑尺寸与光束宽度的比例，是环形光束的一个重要特征参数。因此，有必要提供一种易于制造的三维非线性光子晶体结构，以便生成具有更大中心暗斑比的环形光束。

技术实现思路

1、本申请提供一种用于产生环形光束的非线性光学器件及其制备方法，可以解决现有技术中有关产生环形光束的三维非线性光子晶体结构存在的制造困难的技术问题。

2、第一方面，本申请提供了一种用于产生环形光束的非线性光学器件的制备方法，包括以下步骤：

3、步骤s1、根据泵浦光束的分布特性和准相位匹配机制，设计空心圆柱状准相位匹配光栅的整形结构；

4、步骤s2、利用飞秒激光对铁电晶体进行改性，诱导铁电晶体的二阶非线性系数的空间分布形态为所述整形结构，制备得到非线性光学器件；

5、当泵浦光束入射至制备得到的所述非线性光学器件时，产生环形二次谐波光束。

6、结合第一方面，在一种实施方式中，步骤s1中，在所述泵浦光束的分布特性满足高斯分布的情况下，所述整形结构的外圆直径与所述泵浦光束的外直径相同；通过改变空心圆柱状准相位匹配光栅的整形结构的空心比，生成的环形光束可实现二维全波面上的中心暗斑比线性调节。

7、结合第一方面，在一种实施方式中，步骤s2中，采用的所述飞秒激光的焦点能量大于聚焦位置的铁电晶体损伤阈值。

8、结合第一方面，在一种实施方式中，步骤s2中，铁电晶体对所述飞秒激光的波长是透明的。

9、结合第一方面，在一种实施方式中，步骤s2中，所述飞秒激光为近红外飞秒激光。

10、结合第一方面，在一种实施方式中，步骤s2中，随着改性时加工深度的增加，调整所述飞秒激光的脉冲能量，用于补偿由像差和吸收损耗引起的焦斑畸变。

11、结合第一方面，在一种实施方式中，所述调整所述飞秒激光的脉冲能量，具体包括以下步骤：

12、所述脉冲能量通过衰减器从晶体表面下预设深度开始由下至上调整所述飞秒激光的脉冲能量。

13、结合第一方面，在一种实施方式中，还包括以下步骤：

14、对产生的所述环形二次谐波光束进行特征测量，基于得到的测量结果验证所述非线性光学器件的性能。

15、第二方面，一种用于产生环形光束的非线性光学器件，采用如上的用于产生环形光束的非线性光学器件的制备方法制备得到。

16、本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

17、本申请制备方法制备得到的非线性光学器件，可以经泵浦光束入射后产生环形二次谐波光束，同时实现环形光束和二倍频；

18、本申请提供空心圆柱体用于产生环形光束的非线性光学器件的制备方法，相比于传统的叉形或螺旋形结构非线性光学器件的制备工艺，既降低了加工难度，又能通过改变圆柱形结构的空心比来线性调节有效控制光束中心暗斑比，为产生环形光束提供了一种具有竞争力的非线性光学器件产品。

技术特征：

1.一种用于产生环形光束的非线性光学器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的用于产生环形光束的非线性光学器件的制备方法，其特征在于，步骤s1中，在所述泵浦光束的分布特性满足高斯分布的情况下，所述整形结构的外圆直径与所述泵浦光束的外直径相同，并通过改变空心圆柱状准相位匹配光栅的整形结构的空心比，生成的环形光束可实现二维全波面上的中心暗斑比线性调节。

3.如权利要求1所述的用于产生环形光束的非线性光学器件的制备方法，其特征在于，步骤s2中，采用的所述飞秒激光的焦点能量大于聚焦位置的铁电晶体损伤阈值。

4.如权利要求1所述的用于产生环形光束的非线性光学器件的制备方法，其特征在于，步骤s2中，铁电晶体对所述飞秒激光的波长是透明的。

5.如权利要求1所述的用于产生环形光束的非线性光学器件的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述飞秒激光为近红外飞秒激光。

6.如权利要求1所述的用于产生环形光束的非线性光学器件的制备方法，其特征在于，步骤s2中，随着改性时加工深度的增加，调整所述飞秒激光的脉冲能量，用于补偿由像差和吸收损耗引起的焦斑畸变。

7.如权利要求6所述的用于产生环形光束的非线性光学器件的制备方法，其特征在于，所述调整所述飞秒激光的脉冲能量，具体包括以下步骤：

8.如权利要求1所述的用于产生环形光束的非线性光学器件的制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：

9.一种用于产生环形光束的非线性光学器件，其特征在于，采用如权利要求1-8所述的用于产生环形光束的非线性光学器件的制备方法制备得到。

技术总结
本申请提供了用于产生环形光束的非线性光学器件及其制备方法，制备方法包括以下步骤：根据泵浦光束的分布特性和准相位匹配机制，设计空心圆柱状准相位匹配光栅的整形结构；利用飞秒激光对铁电晶体进行改性，诱导铁电晶体的二阶非线性系数的空间分布形态为所述整形结构，制备得到非线性光学器件；当泵浦光束入射至制备得到的所述非线性光学器件时，产生环形二次谐波光束。本申请提供的制备方法制备得到的非线性光学器件，能够同时实现环形光束和二倍频；本申请制备方法既降低了加工难度，又能有效控制光束中心暗斑比，为产生环形光束提供了一种具有竞争力非线性光学器件产品。

技术研发人员：曹强,王若楠
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/29