💡这项突破是什么?
空间结构光场的非线性调控是现代光学研究的重要方向，其在量子信息、高分辨率成像和光通信等领域具有广泛的应用前景。南京大学物理学院王慧田-汪喜林研究组近期在空间结构光场非线性调控方面取得重要进展，相关成果发表于美国光学学会期刊《Optica》。
研究组首先在准周期极化非线性晶体中实现了空间结构光场的三次谐波产生。如图1所示，通过设计准周期极化晶体，研究组实现了对空间结构光场的非线性调控，并构建了具有正交偏振双通道的环形非线性干涉仪。
图1. 准周期极化非线性晶体中空间结构光场的三次谐波产生。(a)准周期极化晶体示意图，(b)实验装置示意图，(c)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
