矢量结构光场参量上转换

【摘要】：傍轴光场作为一种遵循矢量麦克斯韦理论的电磁场,其矢量特征可由偏振态完备描述,而具有空间非均一偏振态的光束又被称为矢量光场。空间非均一偏振分布现象特性源自光场内禀自旋-轨道耦合(spin-orbit coupling,SOC)效应,因此矢量光场是一种光学SOC态。近年来,矢量光场及其可调控空间偏振结构是结构光场研究中的核心问题,并已成为当今最活跃、发展最迅速的光子学领域之一。对非线性光学领域而言,矢量光场带来的革新是:为非线性光学引入标量理论未曾有过的SOC调制非线性极化,进而带来一系列前所未有的矢量非线性光学效应。这些新效应一方面可显著强化人们对光学非线性相互作用的调控能力进而有望发展新应用;另一方面,也为空间结构光场的非线性产生与调控提供了物理基础。在此背景下,本论文(2+3硕博连读硕士阶段)以矢量光场参量上转换为切入点,研究二阶非线性相互作用中光场SOC引入的新物理与新效应,为后续(博士阶段)深入研究工作打下基础。首先,介绍了光学自旋角动量、轨道角动量,以及SOC态的物理概念及可视化描述。重点介绍了基于Laguerre-Gaussian(LG)空间模式的柱对称(cylindrical vector,CV)与全庞加莱(full-Poincaré,FP)矢量光场特性、以及制备与表征手段。在此基础上,从矢量光场泵浦的Ⅱ型倍频入手,理论分析SOC调制的简并参量上转换;然后进一步研究基于Sagnac非线性干涉仪的矢量倍频过程,分析矢量参量上转换过程中的矢量空间模式变换;最后,在Ⅱ型PPKTP晶体和基于Ⅰ型BBO晶体的Sagnac非线性干涉仪中分别开展实验研究,验证理论研究结果。