非线性波前调控中的相位编码技术的研究

The previous studies on wave-front engineering in nonlinear optics depended too much on the Quasi-phase matching technique in reciprocal space. Thus they lost the diversities in manipulation. This project will restudy the wave-front engineering in the real space for the purpose of revealing the essence of nonlinear interaction——the interference of every harmonic waves. We will deduce the nonlinear holography system by using the real space idea and certain phase-coding technique. Under the new system, we will deeply study the methods in designing superlattice for nonlinear wave-front engineering.

以往的非线性光波前调控技术，过分依赖于倒空间的准相位匹配理论，而失去调控的多样性。本项目拟从实空间的局域准相位匹配原理（非线性惠更斯菲涅尔原理）出发，揭示非线性增益过程的实空间本质——子谐波的相干相长。利用这一原理，推导出非线性光的全息干涉体系。并且进一步引入全息相位编码技术，完善这一体系。在这个干涉的框架下，研究出新的超晶格结构设计思路，完成对非线性光波前的自由调控。

作为现代光学的一个重要分支——非线性光学在近几十年获得了巨大的发展。非线性光学效应中的光学频率转换、参量谐振、波前调控等吸引了研究人员广泛的关注。而在其中的波前调控领域中，近年来许多方法被发明出来用于光束整型和成像，如多通道像移技术、局域准相位匹配技术和非线性体全息技术成为了热门研究对象。随着非线性计算全息方法在非线性波前调控上的广泛应用，研究人员对非线性波前的强度、相位的精准调节产生极大的兴趣。各种相位编码技术被提出并且得到了实验验证。但是由于非线性光学的经典载体——光学超晶格，在微纳结构制备上存在着先天的劣势，其很难生长出小于微米量级的可控铁电畴结构，故其在波前调控技术上很难获得完美的精确的波整型和成像功能。.因此，我们提出了一种新的结构设计思路，用于解决此调控问题。主要的核心物理原理为：牺牲了非线性光学转换效率，提升调控精度。具体实现的方法为我们将若干最小铁电畴单元合并为一个大的元胞，然后对其进行微纳加工，使得此单一大元胞实现超过原始多单元的波前调节效果，但效率上也只有原来小单元的输出贡献。利用此原理，我们在实验上实现了超越原始结构成像精度的成像功能，验证了此方法的可行性。.此方法的意义为在有限的微纳加工精度的前提下，我们用结构设计上的多值化多维度的编码方法，可以获得几乎无衍射的非线性光学成像效果。对比传统的全息设计思路，我们的新结构编码方法在成像上可以提高近一倍的分辨率。因此，其在变频成像上有着重要的应用价值。