轨道角动量 (OAM) 是光的一个重要的自由度。由于携带 OAM 的光束具有特殊的强度相位分布以及力学效应, 使得此类光束在高速光通信、测量、成像、光镊和量子信息中具有广泛的应用。关于 OAM 光束在准相位匹配晶体 (QPM) 中的频率变换研究，一方面可以研究 OAM 光束参与非线性相互作用时与高斯光束不同的物理机制; 另一方面, 非线性过程提供了多种有效的光场调控手段, 可以实现携带 OAM 光场不同自由度的精细调控, 为满足不同的光学应用奠定基础。综述了近十年来 OAM 光束在 QPM 晶体中的非线性转换研究主要进展, 具体包括: 非线性过程中 OAM 光束的守恒、传输、演化和干涉行为研究, 高效率的 OAM 激光和单光子态频率转换研究, OAM 频率转换效率模式非依赖性研究, 矢量光束的频率转换研究, 以及无后向选择的高维 OAM 纠缠态的制备研究。最后讨论和展望了 OAM 在 QPM 晶体中频率转换方面的未来研究趋势。

高效宽带的三次谐波转换是激光惯性约束聚变驱动器的关键技术之一。超辐射光的宽带特性以及宽、窄带和频方案为这一研究提供了新的实现途径。本文基于超辐射光特性,建立了其三倍频过程数值计算模型,并分析了时间高相干基频光与超辐射倍频光和频的效率和光谱特性演化。与超辐射光直接三倍频相比,宽、窄和频方案能够有效地减小群速度失配对超辐射光三倍频效率的影响,可以将超辐射光三倍频效率提升至44%,输出三倍频带宽可达到1.9 THz,该结果可指导超辐射光三倍频系统的设计与相关实验研究。

作为最早发现的非线性光学现象之一,非线性频率转换经过几十年的发展,从原理到应用均已不断成熟。非线性频率转换过程中新的相位匹配原理被不断提出和实现。除此之外,随着集成光学、结构光子学及量子光学等领域的不断发展,非线性频率转换在各领域的研究和应用又重新焕发活力,并发挥着不可替代的作用。本篇综述围绕非线性频率转换主题,突出非线性频率转换的新原理、新平台与新应用研究,并以本团队研究成果为基础,介绍相关领域的研究进展,主要分为以下几个方面:非线性界面相位匹配新原理;结构光场非线性谐波调控;铌酸锂薄膜集成非线性光学新平台;单光子频率转换、光量子接口等新应用。

使用闭环控制的自适应控制光学系统对飞秒激光的波前进行调控, 可以有效改善激光与物质相互作用中由于相位畸变或光路偏差导致的效率下降。利用可编程纯相位的液晶空间光调制器结合模拟退火算法设计的自适应优化系统, 在BBO晶体的飞秒倍频过程中实现了对相位畸变和光路偏差导致倍频效率下降的自动补偿, 从而实现飞秒倍频效率的最优化。

采用800 nm和400 nm两束飞秒激光脉冲在BBO晶体中同时满足相位匹配条件,产生差频、和频及其级联效应。实验运用了中心波长800 nm、重复频率10 Hz、脉宽60 fs及光斑直径7 mm的钛蓝宝石再生放大飞秒激光,输出约为10 mJ的能量以7∶3分束。其中7 mJ光脉冲用一块非线性晶体BBO倍频至400 nm获得1.45 mJ能量,然后与另一束800 nm的3 mJ基频激光以非共线方式注入到另一块BBO中,在兼顾和频与差频的相位匹配条件下,即晶体对于和频与差频相位匹配状态同时存在少量失谐时,会同时产生267 nm与800 nm的和频与差频效应,新产生光波与原入射激光脉冲又经过进一步非线性混频作用,最终得到多达10余束可见、紫外的一维列阵。分析了此级联非线性效应的产生机理并讨论了入射光强度,啁啾,延迟等因素对级联效果的影响。