铌酸锂晶体涡旋光的差频探测

近年来，轨道角动量（OAM）光束已被应用于光通信领域。光通信中，以提高信道容量和频谱效率。然而，在实际应用中，OAM信息往往印在短波长光束上。如何将这些信息完全传输到O波段以实现长距离传输，大多数传统方法都无法轻松实现。

图1  实验示意图

与OAM有关的独特特性使涡旋光成为一个需要全面研究的课题，它在微操作、超分辨率成像、经典和量子机密通信等方面有多种应用。在这些研究中，非线性相互作用中的OAM 交换尤其引人关注。通过非线性光学晶体中的频率上变频和下变频、原子蒸汽中的四波混合以及气体介质中高次谐波的频率转换，可以产生携带新波长的OAM光束。

此外，通过对携带OAM的光束进行非线性频率转换，可以拓宽现有光源的波长范围。气体的高阶谐波可用于产生携带OAM的光束。紫外波段可以产生携带OAM的连续可调中红外和远红外光束。利用自发参量下变频和四波混合（信号光）过程，可以实现双光子OAM量子纠缠在量子信息领域的重要应用。

图2  实验光路图显示了加载在slm上产生涡旋的螺旋相位剖面

在实验中，通信波段的涡旋光是由周期性极化的铌酸锂晶体中携带OAM的输入光和高斯泵浦光的不同频率过程产生的。在光束携带OAM的非线性转换过程中，不仅要满足传输方向上的动量守恒，还要满足OAM 的守恒。只有在没有相位失配的情况下，非线性匹配过程中的OAM守恒关系才能成立。

图 3   涡旋光场传播过程中的光强分布和相位分布场

实验结果表明，在非线性转换过程中，晶体的倒转晶格矢量补偿了三波的相位失配，从而使泵浦光和输入光连续转换成输出光。

审核编辑：刘清