近日，南京大学陆延青教授、陈伟特聘研究员研究组携手天津大学胡明列教授、范锦涛副教授研究组，提出了一种用于非线性光场调控的“非线性光子筛”方案，并发展了实现该方案所需的三光束非线性全息理论。基于这一理论，研究团队将传统条纹状全息图结构替换为离散点状结构，使非线性全息术不再局限于单向调控，可在x、y轴上实现相对独立的结构光场调控。离散点阵结构也在一定程度上提高了全息图在存在制备缺陷时的稳定性，为非线性光场调控提供了兼具灵活性和稳健性的新思路。相关成果以“Nonlinear photon sieves for high-fidelity wavefront engineering”为题于2025年11月18日发表在Laser & Photonics Reviews期刊上，并被选为当期的内封面（Inside back cover）论文（图1）。
图1. 当期内封面。
结构光场通过对振幅、相位、偏振等波前自由度的精确调控，在光操控、材料加工和光通信等领域发挥着重要作用。非线性光‑物质作用可实现结构光场的波长与模式转换，从而进一步提升其适用性与灵活性。然而，当前非线性波前工程仍面临挑战：传统非线性光子晶体（如铌酸锂（LN）、磷酸钛氧钾（KTP））虽可实现大面积非线性频率转换，但依赖经典非线性全息术的条纹状畴图案，通常仅支持单向光场重建，且重建质量易受到畴扩散、机械振动等制备因素影响；非线性超表面器件在高精度波前调控方面具有优势，但在大尺寸制备上仍受成本与工艺限制；近年来，3D 激光直写非线性光子晶体取得了显著进展并已实现多种非线性光场调控方案，但在进一步实现多通道和抗干扰的波前调控方面仍具发展潜力。与此同时，线性光子筛作为衍射光学中的重要方法，通过在衍射面引入点阵结构实现灵活的光场调控，并在高保真波前工程中展现出独特优势。这一思路也为非线性体系中的波前调控提供了有益的启发。
全息术的核心在于“存储-重建”过程。对于传统非线性全息术（图2a），在存储阶段，基波激发的非线性极化波与沿x 轴成一定角度的二次谐波光束干涉，形成条纹状全息图案；在重建阶段，垂直入射的基波经晶体调制可重建目标结构光场。然而，由于畴结构呈条纹状，其光场整形通常仅限于单一方向，并且实际制备中易受畴扩散、机械振动等因素干扰。受线性多光束全息术启发，三光束非线性全息术（图2b）在存储阶段将目标二次谐波设计为沿x、y 轴成角度的两束独立结构光，与基波激发的非线性极化波共同干涉，形成同时包含x、y 双向角度信息的全息图案，即类菱形分布的非线性光子筛。经畴工程制备后，在重建阶段垂直入射的基波即可同时还原沿x、y 轴的两束独立结构光场，从而实现双向相对独立的波前调制。此外，在任一方向引入透镜相位，可在设定焦平面重建目标光场并抑制共轭光束，为并行非线性波前调控提供了新的实现途径。
图2. 从传统非线性全息到三光束非线性全息。
2.离散点阵光子筛结构的抗噪特性
三光束非线性全息术生成的全息图呈类菱形的离散单元阵列结构，与传统非线性全息术的条纹状图案不同。这种离散化特征在一定程度上可减弱非线性光子晶体常见制备误差（如畴扩散、边缘粗糙等）的影响。基于这一特性，研究团队进一步将类菱形单元简化为保持圆心位置与面积不变的圆形点阵，形成非线性光子筛。为评估其抗噪性能，研究通过模拟在理想光子筛（以产生Airy光束为例）的圆点区域中加入噪声，用以模拟局部过生长、不规则边界等制备缺陷。结果表明，即使加入不同数量的噪声点，衍射场分布仍保持良好稳定性（图3a–c）。保真度量化分析显示，噪声点的增加仅引起保真度逐渐下降，且在加入50个噪声点的条件下，保真度仍高于0.965（图3d）。这些结果说明，离散点阵式光子筛对局部缺陷具有一定的容忍度，能够在一定范围内保持衍射场质量，相比传统条纹结构在抗噪性方面展现出优势。
图3. 光子筛抗噪性能分析。
3.高保真、双通道、宽波段二次谐波结构光产生
实验中，我们首先选取沿y轴入射的高斯光束作为参考光，并将其与沿x方向传播的目标结构光共同用于生成非线性光子筛的计算全息图。随后，通过外加电场极化工艺将该计算得到的编码结构写入铌酸锂晶体，并以1300 nm 的飞秒激光脉冲作为入射源，获得650 nm 波段的倍频结构光（图4a）。以艾里（Airy）光束为例，生成的二次谐波Airy 光束与理论模拟的光场强度分布高度一致（图4b），并在传播过程中呈现典型的自加速特性（图4d）。即使晶体中存在畴壁不规整等制备缺陷（图4c），得益于光子筛的离散点阵结构，实验中的衍射场质量仍保持稳定。相比传统条纹状结构易受缺陷影响、难以生成高阶模式的限制，这一结果体现出非线性光子筛在抗噪性与模式生成方面的优势。对于相对复杂的模式，包括高阶拉盖尔–高斯（LG）光束（拓扑荷l =5，径向模式数p =2）、厄米–高斯（HG）光束（模式阶数m =3，n=3）及因斯–高斯（IG）光束（奇模，阶数p =5，m =3），实验生成的二次谐波结构光与理论模拟同样表现出良好一致性（图5a-d）。
图4. 二次谐波艾里光束的产生。
图5.多种复杂模式二次谐波结构光场。（a）拉盖尔-高斯光束；（b）具有相反涡旋电荷的两束拉盖尔-高斯光束的叠加态；（c）厄米-高斯光束；（d）因斯-高斯光束。
基于三光束非线性全息术的双轴独立调控特性，实验进一步实现了沿 x、y 轴的双通道结构光产生。例如，在同一光子筛上，可沿x 轴生成拓扑荷l = ±3、p = 0 的LG 光束叠加态，同时沿y 轴生成涡旋电荷l = ±1、p = 0 的LG 光束叠加态（图6a）；也可在x 轴方向生成模式阶数m = 3、n = 3 的HG 光束，同时沿y 轴生成模式阶数m = 1、n = 1 的HG 光束（图6b）。尽管衍射场在振幅和相位上存在一定串扰，但通过优化两通道之间的光束腰半径比，理论保真度均可提升至0.8 以上，验证了双通道独立调控的可行性。
图6.利用同一光子筛生成不同非线性结构光。
此外，所制备的非线性光子筛还表现出良好的波长适配性。实验中仅调节基波波长（900–1300 nm），在不改变光子筛图案的情况下，可在450–650 nm 的倍频波段生成结构光场：900 nm 基波得到450 nm 倍频光（图7a），1150 nm 得到575 nm（图7b），1300 nm 得到650 nm。在不同工作波长下，生成的LG、HG、IG 等模式均保持清晰的结构特征。同时，焦距随波长的变化规律符合理论公式（f’ = fλ / λ’，f为设计焦距，λ为设计波长，λ’为实际波长），实验结果与理论预测具有较好一致性，说明该方法在宽波段范围内具备良好的调控稳定性。
图7.不同基波波长对应的倍频结构光场。
本研究发展了三光束非线性全息理论，并基于该理论构建了非线性光子筛的实现方案，以离散点状结构替代传统条纹图案，在一定程度上提升了对制备缺陷的适应性，同时实现了x、y 轴双方向的相对独立波前调控。在实验中，利用铌酸锂晶体制备的非线性光子筛成功生成了Airy 光束以及高阶LG、HG、IG 等模式，理论保真度超过90%，并在450–650 nm 范围内实现了多波长结构光输出。展望未来，后续可结合3D 激光直写等先进工艺实现微米级准相位匹配，以进一步提高非线性转换效率。同时，可探索将光子筛与人工智能优化算法结合以改进点阵设计，或扩展至偏振调控、时空调控等其他自由度，从而进一步丰富非线性光场调控方式，为光学计算和高精度光操控等领域提供潜在的技术支撑。
南京大学博士研究生杨嘉辰为该论文的第一作者，南京大学陈伟特聘研究员、马玲玲特聘研究员、陆延青教授和天津大学范锦涛副教授为通讯作者，天津大学胡明列教授对该工作给予了重要指导。南京大学博士研究生于安卓、潘锦涛对本文亦有贡献。本工作受到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目支持，并得到人工微结构科学与技术协同创新中心、固体微结构物理全国重点实验室等平台的大力支持。
文章链接：
https://doi.org/10.1002/lpor.202501117
撰稿|课题组
