图1 a，利用非线性光子晶体检测近红外涡旋的实验光路，b-m，具有不同拓扑荷近红外涡旋光的可视化检测结果。
光学涡旋在过去三十年中得到了广泛研究，其特点表现为螺旋状的波前、甜甜圈状的强度分布和中心相位奇点。涡旋光束由于携带特定的轨道角动量，为光场调控增加了新的自由度，在经典光和量子光学领域都得到了广泛的应用。与可见光相比，近红外光具有一系列优势，譬如人眼无害，有效避免光致细胞毒性，以及可以方便地由传统激光器产生等。特别地，在光通信领域，由于近红外波段位于通信光纤的低损耗和近零色散区域，加之涡旋光束额外的信息承载能力，近红外的涡旋光有望极大地提高光通信系统的性能。然而，由于存在一系列的技术限制，目前对于近红外涡旋光的检测仍然缺乏有效便捷的实时检测方案。譬如，现有的基于 InGaAs 材料的近红外探测器就存在着高读出噪声、低速响应和严格的冷却要求等诸多限制，这在一定程度上阻碍了近红外涡旋光在光通信中的应用。
一种实用的解决方案是将近红外涡旋光束转换到可见光区域，利用可见光波段探测器优秀的成像性能进行检测。其原理是利用光学非线性过程，将光波长由近红外转换到可见光波段，进而利用具有高对比度和图像分辨率的硅电荷耦合器件 (CCD) 进行探测。并且，早期的研究工作也证明，光学轨道角动量在参与的非线性过程中是守恒的，这为近红外涡旋光的可视化检测提供了理论依据。此外，非线性光子晶体，一种具有非对称调制的二阶磁化率非线性材料，已表现出对非线性过程强大的调控能力。由于非线性光子晶体的光学折射率没有被调制，入射的基波相位信息在与非线性光子晶体相互作用时得以保留，这为近红外涡旋的实时、无损检测提供了可能。
最近，Advanced Optical Materials在线发表了由南京大学现代工程与应用科学学院陆延青教授团队撰写的题为 “Visible and Online Detection of Near-Infrared Optical Vortices via Nonlinear Photonic Crystals”的研究论文。该文报道了通过制备一种具有二元达曼（Dammann）涡旋光栅畴结构的铌酸锂晶体，来调制并检测近红外涡旋光入射时所生成的倍频衍射光。在设计达曼涡旋光栅的过程中，研究组通过遗传算法进行了优化，将生成达曼光栅的傅里叶谱设计为特定级次的能量相等，同时抑制其他的衍射级次。通过这种设计，可以在不同的衍射级次中，将具有不同拓扑荷的入射近红外涡旋光还原为具有高斯模式的可见光，从而实现多通道的可视化检测。由于上述三波混频过程对波长没有特殊限制，因此可以实现相当宽波长的近红外涡旋光检测。另外，由于没有调制线性磁化率，这套检测方案也不会影响原有的近红外涡旋光，可以看作一种有效且无损的近红外涡旋检测方案。
这项工作得到了国家重点研发计划（2017YFA0303700）、国家自然科学基金（12004200、12004175）、江苏省自然科学基金（No.BK20200311）的支持。
WILEY
论文信息：
Visible and Online Detection of Near-Infrared Optical Vortices via Nonlinear Photonic Crystals
Yuan Liu, Wei Chen*, Wang Zhang, Chao-Qun Ma, Huai-Xi Chen, Yi-Feng Xiong, Rui Yuan, Jie Tang, Peng Chen, Wei Hu, Fei Xu, Yan-Qing Lu*
Advanced Optical Materials
DOI: doi.org/10.1002/adom.202101098
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