物理学院王慧田-汪喜林研究组在空间结构光场非线性调控方面取得重要进展。在前期矢量光场直接三次谐波产生研究基础上，近日，首次观察到旋转多普勒频移的非线性三倍频效应。这为频移的精确测量提供了一条新的有效途径，也有助于激发更多空间结构光场非线性调控的研究。
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。然而，在其非线性调控方面，尚存诸多挑战，特别是三阶以及更高阶非线性效应的调控。
为实现对复杂空间偏振态分布的空间结构光场的非线性调控，通常需要建立两个正交偏振通道。为此，研究组独辟蹊径，提出并构建了环形非线性干涉仪，其顺时针和逆时针环路分别为正交偏振提供了非线性转换通道。实现空间结构光场的三阶非线性调控的另一挑战，就是提高非线性干涉仪的稳定性。为此，研究组仅使用单一准周期准位相匹配非线性晶体，如图1(a)所示，同时满足两个位相匹配条件，以支持相应的基频光的倍频以及基频光与倍频光的和频非线性过程，实现一个偏振分量基频光的三次谐波产生。在此基础上，利用如图1(b)所示的环形非线性干涉仪，实现了具有正交偏振分量的空间结构光场的三次谐波产生。相关成果以"Third-harmonic generation of spatially structured light in a quasi-periodically poled crystal"为题发表在美国光学学会期刊《Optica》上[Optica 9, 183 (2022)]。
图1.空间结构光场的三次谐波产生。(a)单块准周期准位相匹配晶体实现单一偏振分量基波光的三次谐波产生；(b)具有正交偏振双通道的环形非线性干涉仪。
空间结构光场的三次谐波产生为更多非线性调控的研究提供了新的契机，例如旋转多普勒效应。多普勒效应是十分常见的现象，即当移动的波源接近或远离观察者时，其频率会升高或降低，此乃线性多普勒效应。该效应的一个"角向"版本，即旋转多普勒效应，则指当波通过旋转物体且其角动量发生改变时发生的频移现象。对于光波而言，圆偏振光通过半波片或q-板，其角动量将发生变化，因此可通过旋转此类光学元件引入多普勒频移。如图2(a)和(b)所示，进一步，将频移的基频光实现三倍频，则可以在上转换光中观察到多普勒频移的三倍转换，如图2(c)所示。
图2. 三次谐波产生中旋转多普勒的三倍频移。(a)旋转半波片和(b)旋转q-板用于引入旋转多普勒频移，(c)准周期准位相匹配晶体可将基频光的多普勒频移放大至上转换光的三倍。
如何在实验上测量频移是该研究面临的真正挑战。对旋转多普勒效应，通常采用拍频的方法测量频移，即通过两束频率不同的光产生的拍频信号来读取频移。为测得非线性上转换光场的频移，研究组构建了正交偏振分量携带相反频移的空间结构基频光场；并利用之前发展的正交偏振双通道环形非线性干涉仪，产生了相应空间结构光场的三次谐波，从获得的拍频信号顺利读取了非线性转换后的频移信号。实验测得的基频光和三倍频光的旋转多普勒频移如图3所示，可以清晰看到旋转多普勒频移在非线性过程中的三倍转换关系。相关成果以"Rotational Doppler shift tripling via third-harmonic generation of spatially structured light in a quasi-periodically poled crystal"为题发表在美国光学学会期刊《Optica》上[Optica 10, 20 (2023)]。
图3. 实验测得的不同转速下基频光和三倍频光的旋转多普勒频移。虚线为旋转半波片理论预期，实线为旋转q-板(q=1/2)理论预期，圆圈为实验结果，可以看出上转换光的频移与相应的基频光满足很好的三倍对应关系。
南京大学物理学院博士研究生娄严超和程子默分别为上述两篇论文的第一作者，王慧田和汪喜林教授为共同通讯作者。上述两项研究工作得到了固体微结构物理国家重点实验室和南京微结构协同创新中心的支持，得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省"双创人才"和广东省重点领域研发计划项目等的资助。
论文链接：
在准周期极化非线性晶体中空间结构光场的三次谐波产生
https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-9-2-183&id=469072
基于三次谐波产生实现旋转多普勒的三倍频移
https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-10-1-20&id=524664