利用非线性晶体实现非线性频率转换是一种产生相干光源的重要方法。值得一提的是，非线性光束整形技术在近几年发展越来越迅速，并且广泛应用在光学微操纵、光学微加工、光学成像、量子光学和光通信等领域。然而，传统的应用电场极化方法制作的二维非线性光子晶体结构由于缺乏纵向的相位匹配机制，难以实现高效的非线性光束整形。基于此，我们运用飞秒激光微纳加工技术制作了振幅型非线性光子晶体结构（A-NPCs），利用晶体的双折射相位匹配和拉曼-纳斯衍射分别在纵向和横向上满足相位匹配机制，从而实现了高效的二次谐波光束整形。

实验上，我们利用图一（a）所示的飞秒激光微纳加工技术在具有特定切向的铌酸锂晶体内部直写二维计算全息图（CGH）。 晶体中飞秒激光脉冲照射区域由于结晶度的减少导致二阶非线性系数χ^2被擦除，而未被照射区域的χ^2还是保持原来的数值。从而制作出了二阶非线性系数χ^2具有0和+1两种数值的振幅型非线性光子晶体结构。为了演示振幅型非线性光子晶体结构的二次谐波光束整形功能，我们在铌酸锂晶体中分别直写了产生厄米-高斯光束HG10，HG11和HG12模式的计算全息图如图一（b）所示。

图一. （a）飞秒激光制作振幅型非线性光子晶体结构示意图。（b）厄米-高斯光束HG10，HG11和HG12模式的计算全息图。

我们运用1064nm 的Nd：YAG 纳秒激光照射振幅型非线性光子晶体结构，如图二（a）所示。在远场的正负一级衍射上可以得到整形后的二次谐波光束如图二（b）所示，由于在纵向和横向上分别满足双折射相位匹配和拉曼-纳斯衍射，我们在+1级上获得了8.4%W-1cm-2的归一化转换效率。另外，我们还演示了利用叉形光栅结构实现非线性涡旋光束的产生，如图二（c）所示。这项工作采用飞秒激光微纳加工技术，提供了一种实现高效二次谐波光束整形的方法，有助于实现全光光场调控和光束整形。

图二. （a）通过振幅型非线性光子晶体实现二次谐波光束整形实验示意图。（b）厄米-高斯光束HG10，HG11和HG12模式的+1级衍射图样。（c）演示非线性涡旋光束的产生。

该成果发表在 “Bing Zhu, Haigang Liu, Yuping Chen*, and Xianfeng Chen, "High conversion efficiency second-harmonic beam shaping via amplitude-type nonlinear photonic crystals," Opt. Lett. 45, 220-223 (2020).”

论文链接：https://doi.org/10.1364/OL.45.000220