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

本发明专利技术公开的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

【技术实现步骤摘要】
一种3D非线性光学非互易衍射元件的设计方法及其应用


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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。本专利技术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。
[0006]本专利技术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：
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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/(k2‑
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表示所有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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/(k2‑
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王炳霞，贺志豪，李依霖，沈祥，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：