本发明专利技术公开了一种双频率阵列分布轨道角动量模式产生器件，该器件是利用激光加工技术改变铌酸锂晶体的折射率加工而成，加工后的铌酸锂晶体分为三个区域；第一区域为非加工区域，利用铌酸锂晶体的双折射相位匹配将基频光转换为倍频光；第二区域和第三区域利用激光加工技术对铌酸锂晶体的折射率进行改变，对基频光和倍频光进行线性衍射；第二区域为叉形光栅阵列，对基频光和倍频光进行z方向线性衍射，并在非零级次加载轨道角动量；第三区域为周期光栅阵列，对基频光和倍频光进行x方向线性衍射，使轨道角动量模式呈阵列分布。本发明专利技术可以同时将基波以及倍频轨道角动量模式从一维分布拓展到二维，增加光场的调制通道。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光场调控，尤其涉及铌酸锂晶体中线性以及非线性轨道角动量模式阵列分布调控,具体涉及一种双频率阵列分布轨道角动量模式产生器件。
技术介绍
1、光子轨道角动量(orbital angular momentum，简称oam)具有螺旋分布的相位、无限维度和正交性等特性，自1992年被allen等人验证以来，被广泛应用在光操控、光通讯、量子、成像、探测以及光学加密等领域。oam模式在光学领域的重要应用推动了其产生方法的研究，除了常用的螺旋相位片、q-plate、计算全息法、π/2模式转换器等，还有各种微型集成oam产生器件。若想在新频率下产生oam模式，传统方法需要两个器件：首先通过非线性介质进行频率转换，然后通过线性器件加载oam。为了节约成本和空间，诞生了一种直接的方法，在非线性转换的同时一步实现光束整形。三维非线性光子晶体不仅在垂直传播方向上设计二阶非线性系数χ(2)分布调控光场，同时还可以在传播的方向上考虑周期性结构对基波进行准相位匹配。相比金属超表面以及二维非线性光子晶体，三维非线性光子晶体的非线性效率得到大幅提升。
2、飞秒激光直写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，不仅可以在晶体内部任意位置擦除二阶非线性系数，还可以改变折射率，具有热效应低、高分辨率的优点。理想状态下，在非线性光子晶体中的二阶非线性系数被擦除，然而目前的加工条件，二阶非线性系数只能被擦除20％左右，远低于完全擦除或者极化条件下满足准相位匹配条件的非线性转换效率。
技术实现思路
1、有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本专利技术提出一种双频率阵列分布轨道角动量模式产生器件，在铌酸锂结晶体中加工三维光栅结构，先利用铌酸锂晶体自身的一类双折射相位匹配进行高效倍频转换，然后基于光栅结构的折射率改变对倍频光束进行光场调控。基于激光加工的灵活性，设计叉形光栅阵列结合条纹方向相反的周期光栅阵列构成三维体光栅结构，这样可以将一个维度的oam模式拓展到二维，增加非线性光场调制维度和调控通道。
2、本专利技术通过以下技术手段解决上述问题：
3、第一方面，本专利技术提供一种双频率阵列分布轨道角动量模式产生器件，其特征在于，所述器件是利用激光加工技术改变铌酸锂晶体的折射率加工而成，加工后的铌酸锂晶体包括三个区域，分别为从左到右依次设置的第一区域、第二区域和第三区域；
4、所述第一区域为非加工区域，利用铌酸锂晶体的双折射相位匹配将基频光转换为倍频光；
5、所述第二区域和第三区域利用激光加工技术对铌酸锂晶体的折射率进行改变，对基频光和倍频光进行线性衍射；
6、所述第二区域为叉形光栅阵列，对基频光和倍频光进行z方向线性衍射，并在非零级次加载轨道角动量；
7、所述第三区域为周期光栅阵列，对基频光和倍频光进行x方向线性衍射，使轨道角动量模式呈阵列分布。
8、作为优选地，加工后的铌酸锂晶体包括三个区域，用公式表示为：
9、
10、其中，为x-z平面的方位角，l0为oam模式的拓扑荷数，空间频率gx＝2π/λx、gy＝2π/λy、gz＝2π/λz，λx、λy、λy分别是直角坐标系下x、y、z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、激光加工能造成晶体折射率的改变δn，线性的叉形光栅阵列表示为：
13、n(x,y,z)＝n0-δnf(x,y,z) (3)
14、其中n0代表着铌酸锂晶体原本的折射率。
15、作为优选地，当基波沿着y方向、偏振沿着z方向入射到晶体时，基波是寻常光，为o光，经过铌酸锂晶体非加工区域，产生倍频非常光，为e光，满足的类双折射相位匹配条件为：
16、k2ω(e)＝kω(o)+kω(o) (4)
17、其中k2ω(e)、kω(o)分别是倍频e光和基频o光的波矢，从公式(4)看出，通过非加工区域的倍频光为e光，接着通过激光加工区域发生线性衍射，首先通过叉形光栅阵列，沿着z发生线性衍射，在正负1级产生拓扑荷为1的oam模式，0级仍然为高斯模式；然后通过周期光栅阵列，沿着x方向发生线性衍射，倍频光斑就被拓展到二维平面，产生多个拓扑荷为1的oam模式；其中(0，1)、(1，1)、(0，-1)、(1，-1)、(-1，-1)、(-1，1)为拓扑荷为1的oam模式，(0，0)、(1，0)、(-1，0)位置为高斯模式；此外，折射率改变还能同时对基波进行相同的线性衍射，实现双频率oam模式的阵列分布。
18、作为优选地，所述激光加工技术为飞秒激光加工技术。
19、第二方面，本专利技术提供一种双频率阵列分布轨道角动量模式产生器件的制备系统，用于制备所述双频率阵列分布轨道角动量模式产生器件，包括第一激光器、第一半波片、第二半波片、第一偏振分束镜、第一透镜、第二透镜、小孔、渐变式衰减片、物镜、ccd、三维纳米平移台和计算机；
20、所述第一激光器沿着x方向发出激光，通过第一半波片以及第一偏振分束镜控制激光的功率大小，通过第二半波片使激光的偏振变为沿z方向，通过第一透镜、小孔以及第二透镜对光束进行整形，通过渐变式衰减片对激光加工做深度方向的能量补偿，激光通过物镜后，聚焦打到掺镁的铌酸锂晶体上，反射的光束被ccd收集，对加工状态进行实时观测；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的行程，使激光沿着x方向刻线，形成叉形光栅，沿着y方向加工多层相同光栅，形成叉形光栅阵列；接着使激光沿着z方向刻线，得到周期光栅，沿着y方向加工多层相同光栅，形成周期光栅阵列。
21、作为优选地，所述双频率阵列分布轨道角动量模式产生器件的制备系统还包括快门，所述快门设置在第一激光器和第一半波片之间，用于控制激光的打开和关闭。
22、作为优选地，所述双频率阵列分布轨道角动量模式产生器件的制备系统还包括二向色镜，所述二向色镜设置在第二透镜和物镜之间，用于反射第二透镜出射的激光至物镜，同时透射铌酸锂晶体反射的光束至ccd进行收集。
23、作为优选地，所述第一激光器用于沿着x方向发出800nm、脉冲宽度为34fs、重复频率为1khz的激光。
24、作为优选地，所述第一透镜和第二透镜的焦距为75mm。
25、第三方面，本专利技术提供一种双频率阵列分布轨道角动量模式产生系统，包括所述双频率阵列分布轨道角动量模式产生器件，还包括第二激光器、第三半波片、第二偏振分束器、第四半波片、第三透镜和接收屏；
26、所述第二激光器沿着x方向发射激光，通过第三半波片和第二偏振分束器调控激光的能量，通过第四半波片改变激光的偏振方向，使偏振沿着z方向，然后通过第三透镜聚焦打到所述双频率阵列分布轨道角动量模式产生器件上，在接收屏上观察倍频信号。
27、与现有技术相比，本专利技术的有益效果至少包括：
28、本专利技术在铌酸锂结晶体中加工三维光栅结构，先利用铌酸锂晶体本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种双频率阵列分布轨道角动量模式产生器件，其特征在于，所述器件是利用激光加工技术改变铌酸锂晶体的折射率加工而成，加工后的铌酸锂晶体包括三个区域，分别为从左到右依次设置的第一区域、第二区域和第三区域；
2.根据权利要求1所述的双频率阵列分布轨道角动量模式产生器件，其特征在于，加工后的铌酸锂晶体包括三个区域，用公式表示为：
3.根据权利要求2所述的双频率阵列分布轨道角动量模式产生器件，其特征在于，当基波沿着y方向、偏振沿着z方向入射到晶体时，基波是寻常光，为o光，经过铌酸锂晶体非加工区域，产生倍频非常光，为e光，满足的类双折射相位匹配条件为：
4.根据权利要求1所述的双频率阵列分布轨道角动量模式产生器件，其特征在于，所述激光加工技术为飞秒激光加工技术。
5.一种双频率阵列分布轨道角动量模式产生器件的制备系统，用于制备如权利要求1-4任一所述的双频率阵列分布轨道角动量模式产生器件，其特征在于，包括第一激光器、第一半波片、第二半波片、第一偏振分束镜、第一透镜、第二透镜、小孔、渐变式衰减片、物镜、CCD、三维纳米平移台和计算机；
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p>6.根据权利要求5所述的双频率阵列分布轨道角动量模式产生器件的制备系统，其特征在于，所述双频率阵列分布轨道角动量模式产生器件的制备系统还包括快门，所述快门设置在第一激光器和第一半波片之间，用于控制激光的打开和关闭。7.根据权利要求5所述的双频率阵列分布轨道角动量模式产生器件的制备系统，其特征在于，所述双频率阵列分布轨道角动量模式产生器件的制备系统还包括二向色镜，所述二向色镜设置在第二透镜和物镜之间，用于反射第二透镜出射的激光至物镜，同时透射铌酸锂晶体反射的光束至CCD进行收集。
8.根据权利要求5所述的双频率阵列分布轨道角动量模式产生器件的制备系统，其特征在于，所述第一激光器用于沿着x方向发出800nm、脉冲宽度为34fs、重复频率为1kHz的激光。
9.根据权利要求5所述的双频率阵列分布轨道角动量模式产生器件的制备系统，其特征在于，所述第一透镜和第二透镜的焦距为75mm。
10.一种双频率阵列分布轨道角动量模式产生系统，包括如权利要求1-4任一所述的双频率阵列分布轨道角动量模式产生器件，其特征在于，还包括第二激光器、第三半波片、第二偏振分束器、第四半波片、第三透镜和接收屏；
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【技术特征摘要】
1.一种双频率阵列分布轨道角动量模式产生器件，其特征在于，所述器件是利用激光加工技术改变铌酸锂晶体的折射率加工而成，加工后的铌酸锂晶体包括三个区域，分别为从左到右依次设置的第一区域、第二区域和第三区域；
2.根据权利要求1所述的双频率阵列分布轨道角动量模式产生器件，其特征在于，加工后的铌酸锂晶体包括三个区域，用公式表示为：
3.根据权利要求2所述的双频率阵列分布轨道角动量模式产生器件，其特征在于，当基波沿着y方向、偏振沿着z方向入射到晶体时，基波是寻常光，为o光，经过铌酸锂晶体非加工区域，产生倍频非常光，为e光，满足的类双折射相位匹配条件为：
4.根据权利要求1所述的双频率阵列分布轨道角动量模式产生器件，其特征在于，所述激光加工技术为飞秒激光加工技术。
5.一种双频率阵列分布轨道角动量模式产生器件的制备系统，用于制备如权利要求1-4任一所述的双频率阵列分布轨道角动量模式产生器件，其特征在于，包括第一激光器、第一半波片、第二半波片、第一偏振分束镜、第一透镜、第二透镜、小孔、渐变式衰减片、物镜、ccd、三维纳米平移台和计算机；
6.根据权利要求5所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：魏丹，李波瑶，刘欣宇，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：
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