近日，理学院2021级光电信息工程硕士研究生蒋奇男以第一作者在国际知名物理学期刊《APL Photonics》（中科院物理与天体物理大类1区，影响因子：5.6）上发表高阶庞加莱球光束二次谐波研究论文《Second harmonic of higher-order Poincaré sphere beam with two orthogonal 5%MgO: PPLN crystals》(DOI: 10.1063/5.0198012)，这是天博网页版（中国）研究生首次以第一作者在物理学1区期刊发表高水平研究论文（天博网页版（中国）第2篇物理学1区论文）。论文通讯作者为胡友友副教授，天博网页版为第一署名单位。
随着非线性光学的发展，结构光束的二次谐波（SH）已经成为一个热门话题，高阶庞加莱球（HOPS）光束也不例外。对于HOPS光束，除了满足能量和动量守恒外，涡旋光束的SH还需要满足轨道角动量（OAM）守恒，导致OAM加倍。由于非线性晶体的线性偏振依赖性，矢量光束的SH存在一定的挑战。尽管MgO:LiNbO3、BBO和BIBO等两种正交非线性晶体的“三明治”结构已被应用于矢量光束的SH，但SH转换效率从0.38%降低到2.4%。此外，HOPS光束的SH，特别是椭圆偏振的圆柱矢量光束（EPCVBs）和圆偏振涡旋光束，还没有得到系统的研究和报道。
图1. （a）两个正交放置的5%MgO:PPLN晶体的“三明治”结构（b） HOPS及其表面偏振态。
图2. HOPS光束二次谐波实验装置图
该论文采用两个正交的5%MgO:PPLN晶体进行了HOPS的SH演示。基于准相位匹配（QPM）技术，推导了矢量耦合波方程，以模拟HOPS光束通过两种晶体的SH，包括圆柱形矢量光束（CVBs）、EPCVBs和圆偏振涡旋光束。然后，建立了实验装置，揭示了CVBs和EPCVBs的SH呈现四叶形结构，并且表现出矢量特征。而圆偏振涡旋光束变为拓扑荷数为两倍的135°线偏振涡旋光束，并证实了OAM守恒。此外，CVB、EPCVBs和圆偏振涡旋光束的最大SH转换效率分别可达25.3%、23.4%和29.4%，这可能对高效促进矢量涡旋光束的SH生成具有指导意义。
图3. HOPS光束二次谐波的光强和偏振分布
图4.（a）FF光束和SH光束的输出光谱（b）SH功率曲线
相关工作受到国家自然科学基金，江苏省重点研发计划，温州市重大科技创新攻关项目等项目资助。
论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0198012
（撰稿：胡友友 初审：程鹏 二审：程珉 三审：周春燕 编辑：程鹏）
