基于飞秒激光微加工技术的非线性光束聚焦、整形及全息成像

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撰稿| 由课题组供稿

近期，上海交通大学物理与天文学院先进光子学材料和物理实验室的陈玉萍教授、陈险峰教授研究组报道了他们在非线性二次谐波光束整形和光场调控方面取得的新进展。他们利用飞秒激光微加工技术，在铌酸锂晶体中制作了各种微结构，并结合双折射相位匹配技术，实现了非线性二次谐波的光束聚焦、光束整形以及全息成像的功能。相关研究成果在线发表在期刊《Optics Letters》（45(1), 220-223 (2020)；45(15), 4132-4135 (2020)）和《Physica Status Solidi-Rapid Research Letters》（2000213, (2020)）上。

实现对激光光束的整形和调控可以被广泛应用在光学微操纵、光学微加工、光学成像、量子光学和光通信等领域。近些年，非线性光束整形和光场调控研究得到日益广泛的关注。人们利用共振超表面结构，电场极化方法制作的非线性光学超晶格结构以及空间光调制器方法已经可以实现如光学超构透镜、非线性涡旋光束以及非线性全息成像等光场调控的功能。但是这些结构或者方法存在非线性转换效率比较低、加工工艺复杂、无法承受高能量激光等缺点。近两年，利用飞秒激光微加工技术在非线性光学晶体中制作三维光子晶体结构实现光场调控给这一研究领域提供了一个新的方向。

朱兵博士，刘海港博士等人利用飞秒激光微加工技术，对铌酸锂晶体内部的二阶非线性系数进行选择性的擦除，从而制作出了振幅型的光学微结构。同时由于采用的铌酸锂晶体具有特定的切向，在进行非线性频率转换过程中可以满足双折射相位匹配过程，因此可以获得比较高的转换效率。他们利用飞秒激光微加工技术，在铌酸锂晶体中制作了振幅型非线性菲涅耳波带片（图1）、振幅型非线性光子晶体（图2）和计算全息图样（图3），分别实现了对非线性二次谐波的光束聚焦、光束整形和全息成像的功能。这几项工作基于飞秒激光微加工技术，在实现频率转换的同时对光束进行了整形和调控，未来有望应用于集成激光光束整形、超小型芯片设备的激光聚焦、全光三维显示和高功率激光全息成像等领域。

三项研究工作得到了国家自然科学基金（基金编号：91950107 和11574208）、国家重点研发计划（项目编号：2017YFA0303700）、上海交通大学本科生研究计划（项目编号：T072PRP34006）和上海交通大学大学生创新实践计划（项目编号：IPP18053）的研究经费支持。

图1 振幅型非线性菲涅耳波带片实现二次谐波光束聚焦。（a）波带片结构示意图。（b）飞秒激光制作菲涅耳波带片示意图。（c）波带片实物照片。（d）焦距为1 cm（波长为1064 nm 时）波带片的显微镜图片。（e）二次谐波光束聚焦实验及双折射相位匹配波矢关系示意图。

图2 振幅型非线性光子晶体实现二次谐波光束整形。（a）飞秒激光制作振幅型非线性光子晶体示意图。（b）厄米高斯光束HG₁₀，HG₁₁和HG₁₂模式理论模拟图样、加工图样和二次谐波显微图像对比。（c）二次谐波光束整形实验及双折射相位匹配波矢关系示意图。（d）厄米高斯光束HG₁₀，HG₁₁和HG₁₂模式+1级衍射的理论模拟图像和实验结果图像对比。（e）演示非线性涡旋光束的产生。

图3 基于飞秒激光微加工和计算全息编码技术实现二次谐波全息成像。（a）迂回相位编码原理示意图。（b）字母“SJTU”和上海交通大学校徽标志（SJTU logo）的原始图像、二值化图像、理论计算的全息图样和飞秒激光加工图样对比。（c）二次谐波全息成像实验及双折射相位匹配波矢关系示意图。（d）二次谐波全息成像理论模拟图像和实验结果图像的对比。

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 文章信息

1. Bing Zhu, Xiangmin Liu, Haigang Liu, Yi'an Liu, Xiongshuo Yan, Yuping Chen*, and Xianfeng Chen, Dual-wavelength focusing through Fresnel zone plate fabricated in lithium niobate crystal by femtosecond laser micromachining, Physica Status Solidi-Rapid Research Letters, 2000213, (2020). 

链接：https://doi.org/10.1002/pssr.202000213

2. Bing Zhu, Haigang Liu, Yuping Chen*, and Xianfeng Chen, High conversion efficiency second-harmonic beam shaping via amplitude-type nonlinear photonic crystals, Optics Letters, 45(1), 220-223 (2020).

链接：https://doi.org/10.1364/OL.45.000220

3. Bing Zhu, Haigang Liu, Yi'an Liu, Xiongshuo Yan, Yuping Chen*, and Xianfeng Chen, Second-harmonic computer-generated holographic imaging through monolithic lithium niobate crystal by femtosecond laser micromachining, Optics Letters, 45(15), 4132-4135 (2020). 

链接：https://doi.org/10.1364/OL.394162 

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