一种同时实现双频率不同衍射功能的光场调控器件

本发明涉及光场调控，尤其是同时实现双频率不同衍射功能的光场调控技术，具体涉及一种同时实现双频率不同衍射功能的光场调控器件。

背景技术：

1、空间结构光场是指光的偏振、位相、振幅等自由度具有空间分布的光场。在空域对光的各自由度进行主动调控，不仅创建了各类新型光场，而且发现了一系列新现象和新效应，进而发展了新技术并催生了新应用，使光场调控成为国际前沿热点领域之一。空间结构光场经过多年的蓬勃发展，在生成、调控及应用等方面均取得了重大进展，尤其是在生成方面，现有实验技术手段已能创建种类丰富的空间结构光场。非线性光场调控也取得了突破性进展，超表面和非线性光子晶体可在非线性转换的同时实现光场调控，三维非线性光子晶体的诞生进一步提高了非线性光场调控的效率。

2、光学领域常用到的非线性晶体有linbo3、litao3和ktp晶体，在这些晶体中存在着自发极化的现象，具有相同极化方向的区域叫做铁电畴。铁电畴有两个相反的极化方向，极化方向的改变伴随着二阶非线性系数χ(2)符号的改变，外加电场或者淬火工艺产生的热释电场都可以使铁电畴的方向发生反转。飞秒激光加工技术为三维非线性光子晶体的制备提供了一种灵活的方式，可在任意位置调控铁电畴，擦除非线性晶体的部分二阶非线性系数，同时不可避免地引起折射率变化，具有热效应低、高分辨率的优点。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出一种同时实现双频率不同衍射功能的光场调控器件，将激光加工工艺和真空淬火工艺结合起来对铌酸锂晶体进行加工，可使基频光和倍频光分别实现不同功能的光场调控。

2、本发明通过以下技术手段解决上述问题：

3、第一方面，本发明提供一种同时实现双频率不同衍射功能的光场调控器件，所述器件结合激光加工工艺和真空淬火工艺对铌酸锂晶体进行加工；

4、激光加工工艺擦除铌酸锂晶体非线性系数，同时改变折射率；

5、真空淬火工艺产生热释电场极化铌酸锂晶体的铁电畴，改变非线性系数的符号，同时不对折射率造成影响；

6、这两种工艺加工的光栅阵列相互垂直且嵌套在一起，基于折射率和非线性系数的改变对基频光场分别进行一维线性衍射和二维非线性衍射；

7、由于折射率改变和非线性系数改变所形成的结构并不相同，可使基频光和倍频光分别实现不同功能的光场调控。

8、作为优选地，所述器件的铁电畴擦除区域的线条沿着y方向，构成光栅阵列结构用公式表示为：

9、f(x,y,z)＝t[cos(gxx)]×t[cos(gyy)] (1)

10、其中空间频率gx＝2π/λx、gy＝2π/λy，λx、λy分别是直角坐标系下x、y方向的光栅周期；t为二值化函数，对于任意值z,表示为：

11、

12、激光加工工艺擦除晶体铁电畴，造成晶体二阶非线性系数的改变δχ(2)和折射率的改变δn，激光加工的线性和非线性的光栅阵列分别表示为：

13、n(x,y,z)＝n0-δnf(x,y,z) (3)

14、

15、其中n0和代表着铌酸锂晶体原本的折射率和非线性系数；

16、所述器件的铁电畴极化区域的线条沿着z方向，构成光栅阵列结构用公式表示为：

17、

18、其中，空间频率gz＝2π/λz，λz是直角坐标系下z方向的光栅周期，真空淬火工艺产生与晶体自发极化方向相反的热释电场极化晶体铁电畴，改变非线性系数符号，不会对折射率造成影响，非线性光栅阵列表示为：

19、

20、因此，所述器件线性光栅用公式(3)来表示，能对基波进行线性衍射，使基波沿着z方向呈一维分布；所述器件的非线性光栅由激光加工工艺和真空淬火工艺一起加工而成，表示为：

21、

22、该非线性光栅沿着y方向和z方向对基波进行二维非线性衍射，由此看出线性衍射和非线性衍射所实现的光场调控并不一样，能实现基波和倍频不同的光场调控功能。

23、作为优选地，所述激光加工工艺为飞秒激光加工工艺。

24、第二方面，本发明提供一种同时实现双频率不同衍射功能的光场调控器件的制备系统，用于制备所述同时实现双频率不同衍射功能的光场调控器件，包括激光加工工艺子系统和真空淬火工艺子系统；

25、所述激光加工工艺子系统包括第一激光器、渐变式衰减片、第一半波片、第一物镜、铌酸锂晶体、三维纳米平移台和计算机；

26、所述第一激光器沿着光轴z方向发出激光，通过渐变式衰减片控制激光的能量，对激光加工做深度上的能量补偿，经过第一半波片后，偏振变为沿x方向，激光通过第一物镜后，聚焦打到掺镁的铌酸锂晶体上，铌酸锂晶体放置在三维纳米平移台上，利用计算机控制三维纳米平移台行程，使激光加工沿着z方向加工成光栅阵列，然后沿着y方向加工成光栅阵列；

27、所述真空淬火工艺子系统包括真空温控平台、照明光源、第一偏振片、第二偏振片、第二物镜和ccd；

28、激光加工后的铌酸锂晶体置于真空温控平台上，将铌酸锂晶体缓慢加热至180-220℃，然后抽真空，接着快速冷却至室温，在降温过程中产生了与自发极化方向相反的热释电场，会诱导铁电畴从激光加工的z方向线条所在位置沿着z方向发生反转，照明光源照亮晶体，正交的第一偏振片和第二偏振片分别放置在铌酸锂晶体上下，确保只有激光加工区域和畴反转区域被照亮，而后通过第二物镜被放大，最后被ccd收集，实现铌酸锂晶体畴结构的实时观测。

29、作为优选地，所述第一激光器沿着光轴z方向发出波长为800nm、脉冲宽度为34fs、重复频率为1khz的激光。

30、作为优选地，所述激光加工工艺子系统还包括光快门，所述光快门设置在第一激光器和渐变式衰减片之间，用于控制激光的打开和关闭。

31、第三方面，本发明提供一种同时实现双频率不同衍射功能的光场调控系统，包括所述同时实现双频率不同衍射功能的光场调控器件，还包括第二激光器、第二半波片、偏振分束器、第三半波片和透镜；

32、第二激光器沿着x方向发射激光，通过第二半波片和偏振分束器控制激光的能量，然后通过第三半波片使激光的偏振方向沿着z方向，最后通过透镜聚焦打到所述同时实现双频率不同衍射功能的光场调控器件上，出射的基频光场实现一维衍射；将基波滤掉观察倍频光场，实现二维衍射。

33、作为优选地，所述第二激光器沿着x方向发射波长为800nm、脉冲宽度为140fs、重复频率为80mhz、功率为400mw的激光。

34、与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

35、本发明将激光加工工艺和真空淬火工艺结合起来对铌酸锂晶体进行加工，飞秒激光擦除铌酸锂晶体非线性系数，同时改变折射率。真空淬火工艺产生热释电场极化铌酸锂晶体的铁电畴，改变非线性系数的符号，同时不对折射率造成影响。这两种工艺加工的光栅阵列相互垂直且嵌套在一起，基于折射率和非线性系数的改变可以对基频光场分别进行一维线性衍射和二维非线性衍射。由于折射率改变和非线性系数改变所形成的结构并不相同，可使基频光和倍频光分别实现不同功能的光场调控。