携带光轨道角动量（OAM）的涡旋光束在光捕获场、量子计算、量子成像和提高光通信容量等各个研究领域具有潜在的应用前景。近年来，非线性涡旋光束的生成和整形已成为一个热门话题。传统生成非线性涡旋光的方法主要分为腔内主动型和腔外被动型。腔内型是指可以直接在激光器中产生非线性涡旋光束，这种方法效率较高，但灵活性较差。相反，腔外型的灵活性得到了提高，但不够集成。它主要有四种不同的方法来产生非线性涡旋光束，例如通过空间光调制器（SLM）和非线性晶体结合的两步法、在非线性光子晶体（NPC）上设计特定的结构、非线性超表面和采用三维 (3D) 激光直写特殊设计的非线性晶体。

图1.（a-c）不同蚀刻深度下 LN 面上叉形光栅的共焦显微图像和中心切面图， （a）1.5 μm；（b）2.5 μm；（c）4 μm;（d）不同刻蚀时间下LN的刻蚀深度曲线。

图2.（a-f）非线性叉形光栅产生的远场 SH 涡旋光束；（g-l）使用柱面透镜测量SH 涡旋光束拓扑荷的图案。

图3. 实验（圆点）和理论（实线）结果之间的非线性转换效率比较：（a）总 SH 输出功率随 FF 输入功率的变化；（b）SH涡旋光束功率的第一衍射级随 FF 输入功率的变化。

然而，传统生成非线性涡旋光束的方法无法同时解决效率和集成度的问题。因此，我们提出了紫外光刻辅助感应耦合等离子体（ICP）蚀刻技术来制备非线性叉形光栅，以实现高效的非线性涡旋光束生成。如图1所示，我们通过控制刻蚀时间，在不同深度制作了拓扑荷为 l=1,2,3 的非线性叉形光栅。通过刻蚀时间可以精确刻蚀不同深度样品。如图2所示，我们记录了倍频涡旋光的远场一级衍射和使用柱面透镜测量了拓扑荷。我们可以看到，变换后的图案中暗纹的数量与叉形光栅生成的涡旋光拓扑荷值相对应。图中的红色实线来标记暗纹。拓扑荷的符号通过暗纹的方向来区分。当左上角有暗纹时，拓扑荷为正。相反，当右上角有暗纹时，拓扑荷为负。如图3所示，我们测量了二次谐波总衍射级功率和第一衍射级功率随基频波强度的变化。这种倍频涡旋光束的非线性一级转换效率最高可以达到189%W^-1cm^-2。这种方法不仅为非线性光束整形提供了一种高效集成的方法，而且适合大面积批量制造非线性功能器件。

该工作被发表在 “Yangfeifei Yang, Hao Li, Haigang Liu, and Xianfeng Chen, Highly efficient nonlinear vortex beam generation by using compact nonlinear fork grating, Optics Letters, 48(24), 6376-73791 (2023)”

论文链接：https://opg.optica.org/ol/abstract.cfm?URI=ol-48-24-6376