特殊关联光束与非线性晶体相互作用研究

At present, the research on second harmonic is devoted to using traditional correlated beams to improve its conversion efficiency. The transmission characteristics of special correlated beams are obviously superior to those of traditional correlated beams. There is no report about second harmonic which is generated by the interaction between special correlated beams and nonlinear crystals. So we will carry out research in this field and the following aspects are mainly studied: Study on the interaction mechanism between special correlated beams and nonlinear crystals. Theoretical construction of special correlated beam models with different correlated structures according to the positive definite conditions which is satisfied by the mutual coherence function (or coherence polarization matrix). The experimental generation of special correlated beams with the help of the spatial light modulator. Study the statistical properties of second harmonics and the fundamental frequency beam in the nonlinear crystal. It includes their beam parameters, spectral intensity, transmission characteristics, evolution and distribution of coherent structure, conversion efficiency of second harmonic, and the effect of nonlinear crystal anisotropy on the propagation characteristics of special correlated beams. Not only optical coherent theory of light field is enriched, but also the special correlated beams with novel transmission characteristics and second harmonic will play an important role in the fields of spectroscopy, optical communication, remote sensing and biomedical through the implementation of this project.

目前对二次谐波的研究致力于使用传统关联光束提高其转换效率，而特殊关联光束的传输特性明显优于传统关联光束，至今还没有将特殊关联光束与非线性晶体相互作用来产生二次谐波的报道，所以本项目将开展此方面的研究。主要从以下几个方面展开：研究特殊关联光束与非线性晶体相互作用机制；根据互相干函数（或相干偏振矩阵）满足的正定条件构建多种不同关联结构的特殊关联光束模型，并借助空间光调制器在实验上产生特殊关联光束；研究基频光和二次谐波在非线性晶体中的统计特性，包括二者的光束参数、光谱强度、传输特性、相干结构分布及演化特性，二次谐波的转换效率，非线性晶体各向异性对特殊关联光束传输特性的影响。通过本项目的实施，不仅丰富了光场的相干理论，而且产生的具有新奇传输特性的特殊关联光束和二次谐波将在光谱学、光通信、遥感及生物医学等领域中发挥重要的作用。

光场调控及传输在物理、信息、生物、材料等领域具有重要的应用价值，是当前国际光学与光子学领域的一个研究热点。相干这一自由度的引入为光场的构建、调控及传输提供了新的途径，势必导致光束在时空演化以及与物质的线性、非线性相互作用方面出现新的效应和新的应用。本项目结合光场相干结构调控理论以及光束在介质中的传输理论，开展了一系列的研究工作，构建得到了多种具有特殊关联结构的部分相干光束，探讨了特殊关联结构光束与各种介质相互作用的物理机理，并研究了这些新型特殊关联结构光束在自由空间、湍流大气、光纤介质、单轴晶体以及非线性介质中的传输特性。通过研究发现，我们构建的这类具有扭曲相位的特殊关联结构光束不同于传统的扭曲光束，扭曲相位不仅存在于关联函数中，而且存在于厄米函数和拉盖尔函数中，而且对于扭曲厄米高斯谢尔模光束，可以调控光源面的光斑个数。这类光束性能明显优于其它部分相干光束，具有多个可调控自由度，为灵活地控制轨道角动量提供了新方法，提高了其抗湍流能力，更好地应用于光通信领域；共轭双H部分相干光束两模式之间的相位常数为光束整形和提高抗湍流能力提供了一个新的自由度；通过相干结构调控可以实现单轴晶体主折射率的测量，应用于晶体的测量领域；利用矩形厄米非均匀关联光束独特的自聚焦特性可以实现晶体折射率的测量，并给出了具体实施方法；通过基频光相干结构的调控可以实现二次谐波频率和相干结构的同时调控，应用于光谱学、生物医学等领域中。通过本项目的实施，产生的具有新奇传输特性的特殊关联光束将在光通信、粒子俘获、材料热处理、遥感、生物医学领域中发挥重要作用。