矢量光束由于其在光学微操纵、光学成像、光学微加工和光通信等领域的应用而引起了广泛关注。现有产生非线性矢量光束的方法都是通过两步来实现：第一步产生线性矢量光束，第二步对产生的矢量光束进行非线性频率转换。在实验上不够集成和紧凑。我们提出了一种使用非线性叉形光栅来简化实验装置，产生非线性矢量光束的方法。

图1 实验装置图，插图为光镜下的叉形光栅图形。

图2 产生的倍频矢量光束的斯托克斯参数。一、三、五列为理论结果，二、四、六列为相应的实验结果。

图3 拓扑荷为1、2、3时，对应不同初始相位的倍频矢量光束。

图4 拓扑荷为1（a）、2（b）、3（c）时，产生的倍频矢量光束的功率随基频功率的变化。

我们利用表面刻蚀有叉形光栅的铌酸锂晶体，成功产生了拓扑荷为1,2,3的倍频矢量光束，产生的实验装置如图1所示。我们使用斯托克斯参数验证了生成的倍频矢量光束的矢量特性，如图2 所示，可以看到，实验与理论结果吻合较好。如图3所示，我们通过旋转半波片2的光轴方向来改变初始相位，调控产生矢量光束的偏振态。用偏振片测量产生矢量光束的偏振态，展示了这种方法的灵活性。理论上，通过改变半波片2的角度和拓扑荷数，可以实现任意线偏振态矢量光束的产生。我们还测量了这种产生非线性矢量光束的方法的非线性转换效率，如图4所示。我们可以看到，产生的倍频矢量光束的功率随着基频光束以二次函数关系增加。并且随着拓扑荷数的增加，产生的倍频矢量光束功率略有降低。转换效率大约为5.09%W-1cm-2。该方法提供了一种使用非线性晶体结合微结构生成非线性矢量光束的新思路，这种方法也可以应用于其他非线性过程，推动了矢量光束在全光波段的应用。

该工作被发表在“Qian Yang, Yangfeifei Yang, Hao Li, Haigang Liu, and Xianfeng Chen, Nonlinear generation of vector beams by using compact nonlinear fork grating, Photonics Research, 12(5), 1036-1043 (2024)”.

原文链接: https://doi.org/10.1364/PRJ.515731