光学超晶格中的非线性光学成像研究

In this project, based on the current theory on wave-frond controlling, we will develop a full theory and designed principle of nonlinear optical image formation for the real object. By the proposed theory, the dynamic characteristics of nonlinear imaging process is studied and explained. We try to find the possibilities for realizing quasi-phase-matched theory and overcoming diffraction limits in nonlinear image formation. Due to the interaction of parametric waves and the controlling of their phase and polarization, the physical properties of optical imaging, such as resolution, field of view and depth of focus will be improved. The goal of our project is to set up a full theory,analysis and designed method of optical superlattice (nonlinear grating), to investigate the relationship between the qualities of nonlinear imaging and various designed parameters, which will be verified by following experiments. It is hopeful that our results may contribute to the fundamental research of dynamic evolution of nonlinear wave-frond, beam shaping and the generating nonlinear vortex beam. Also it will be beneficial to the improvement of qualities of optical imaging and manufacture of nonlinear optical device, which surely will open the new frontier of wave-frond controlling in the artificial microstructured materials.

本项目拟在非线性光波波前（波阵面）自由调控理论的基础上，发展一套可用于解决求逆过程的非线性光学成像理论和设计原理。研究真实物体的非线性光学成像，研究和探索非线性光学成像过程中的准位相匹配理论，以及突破衍射极限的可能性。非线性光学成像由于不同波长参量光波的出现，以及非线性波相位和偏振特性的可调控性，在分辨率，视场和景深等成像质量方面具有更多的物理特性。通过本项目研究，建立非线性光学成像的基本理论体系和光学超晶格(非线性光栅)的设计理论，研究非线性光学成像中各设计参数对非线性成像质量的影响，研究相位调节和波阵面调节耦合中出现的新现象和新特性，开拓人工微结构材料中波前（波阵面）调控的新领域。本项目预期研究成果不仅有助于非线性光学过程中波前（波阵面）的动力学演化以及特殊光束传播过程中特殊功能实现，非线性涡旋光产生等基础研究，也有望对改善非线性材料中光学成像质量，研制非线性光学器件产生重要指导意义。

光学成像是光学的重要研究课题之一，相比于传统光学成像，基于人工微结构的非线性光学成像在改善光学成像质量，突破衍射极限等方面有潜在的优势。本项目开展真实物体的非线性光学成像及其物理特性的研究；从微结构材料设计的第一性原理以及非线性惠更斯菲涅尔原理和非线性菲涅尔体积全息理论出发，研究了非线性光学成像过程的理论基础，建立了可解决求逆过程的非线性光学成像的理论和光学超晶格 （非线性光栅）的设计方法；在此基础上，研究各种非线性物理参数（波长，温度接受带宽，偏振特性，波前调节）对光学成像过程的影响，本项目还研究了非线性光学成像过程中的准位相匹配理论和技术。我们从理论上给出了一对正负畴传输场强分布的解析解，并详细讨论了畴壁的衍射特性。通过数值计算发现畴壁图像的线宽与传播距离的平方根成正比，与正常的远场衍射过程相比，衍射效应得到了很好的抑制。在此基础上，将单一畴结构推广到复杂的无规则畴结构，进一步通过仿真模拟二次谐波成像证实了传输过程中畴界的近似无衍射性质。实验中主要以钽酸锂为例，用900nm的飞秒激光，在CCD中可以直接收集到450nm的倍频畴结构像，其中畴界显示为暗场。结果表明，非线性过程中正负畴的相位差对畴成像起着重要的作用，可以在百微米范围内连续观测到畴结构并使得衍射效应被大大地抑制。本项目取得的研究成果，对抑制光学成像的衍射有重要意义，对非线性光学器件，成像系统，开关器件等非线性光学器件的研发将产生积极影响。