三维非线性光子晶体实现多通道全息复用

撰稿 | 陈鹏程（南京大学，博士生）

说明 | 本文由论文作者（课题组）投稿

全息术自发明以来已经被广泛应用于显示，成像、光学信息存储和加密等领域。多种多样的全息复用技术的出现，更进一步增加了全息信息存储容量和安全性。

近年来，全息术不再局限于线性光学，基于光学非线性过程的全息技术被称为非线性全息。非线性全息能够将光学信息存储在新的频率通道中，在频率转换的同时实现光学信息重建；因此高效的非线性全息将有利于信息存储容量和安全性的进一步提高，然而现阶段非线性全息在频率转换效率和复用通道数目方面仍有待提升。

目前，非线性全息一般通过二维非线性光子晶体或非线性超表面结构实现，基于非线性拉曼-纳斯衍射，能够实现非线性全息图像的复现。但是由于传播方向存在相位失配，其频率转换效率受限，同时也难以实现大容量非线性全息复用。

1962年，Armstrong等人提出准相位匹配机制，通过周期性的翻转晶体畴向提供倒格矢弥补非线性过程中的动量失配，从而增强非线性频率转换效率；除了效率增强外，通过准相位匹配所产生的非线性光场也可以受到结构倒格矢的有效调控。

2018年，南京大学和中国科学技术大学团队首次实验演示了基于飞秒直写的铌酸锂三维非线性光子晶体(Three-dimensional nonlinear photonic crystal,3D NPC)。3D NPC的研究进展为实现高效的非线性全息复用提供了一个理想的平台。但以往基于3D NPC非线性光束整形结构的设计方法却难以满足多通道非线性全息复用的需求。

图源：该论文所属课题组团队

为此，南京大学张勇教授与中国科学技术大学吴东教授合作在三维非线性光子晶体中实现了基于准相位匹配的高效多通道非线性全息复用：

1. 由于完全的准相位匹配条件被满足，非线性全息的频率转换效率相比于传统方案提高一个数量级；

2. 同时通过改变准相位匹配条件可以选择性读取倒空间中不同位置的图像信息，实现了多通道数目的非线性全息复用；

3. 由于准相位匹配带宽随3D NPC结构长度的增加而变窄，所以非线性全息复用通道数目也将随结构层数的增加而不断提升。这一技术有望促进高容量光学信息存储和加密的发展。

图1 准相位匹配复用非线性全息示意图

该研究成果以"Quasi-phase-matching-division multiplexing holography in a three-dimensional nonlinear photonic crystal"为题在线发表在Light: Science & Applications。

在非线性光子晶体中，非线性光场的产生受到结构倒格矢的调控。以倍频过程为例，在倒易空间中，以二次谐波波矢起点为圆心，长度为半径，定义Ewald球面，所有位于Ewald球面上的倒格矢均能补偿倍频过程中的相位失配，同时二次谐波获得增强并携带相应倒格矢的空间频率信息输出（图2a）。因此如果能够特殊设计非线性光子晶体中倒格矢的分布将光学图像信息存储在Ewald球面上（图2b），就可以通过准相位匹配实现高效的非线性全息。另外，3D NPC能够提供一个三维的倒易空间用以存储信息，通过改变准相位匹配条件即可调谐Ewald球面的大小和位置，从而实现非线性全息图像的选择性输出（图2c）。

图2 准相位匹配复用非线性全息原理示意图

对于给定三维倒格矢分布，研究人员采用三维迭代傅里叶变换算法和迂回相位编码的方法获得实空间二值化的三维非线性结构。

图3 三维迭代傅里叶变换算法流程

算法流程如图3所示，给定目标二次谐波图像及其相应的波长后经过足够多次的迭代即可获得相应实空间的三维相位全息图。将铌酸锂晶体划分为一个个离散的长方体单元，每个单元对应相位全息图中的一个像素，通过平移单元内飞秒激光直写擦除非线性系数区域的横向位置编码该单元的相位（图4）。通过以上步骤即可获得最终的3D NPC结构。

图4 利用迂回相位编码的3D NPC结构示意图

图5展示了单幅图像非线性全息成像和三幅图像非线性全息复用的实验演示。实验结果显示二次谐波重建图像与目标图像符合，二次谐波转换效率较之前提高了一个数量级达到1.7×10⁻⁵。图5c为三通道复用的非线性全息，通过在倒易空间不同位置存储三幅不同的图像，研究人员利用波长改变准相位匹配条件成功实现三幅二次谐波图像的选择性输出。

图5 实验演示单幅图像非线性全息和三通道复用非线性全息

此外，研究人员还探讨了基于3D NPC 的准相位匹配全息复用的理论容量。全息复用的通道数目由可用于存储信息的倒易空间大小以及不同图像在倒易空间中的间隔决定。研究人员根据二次谐波随相位失配的强度变化，定义了最小的图像存储间隔，根据总共可用的倒空间大小，计算出了理论最大的复用通道数目为N/2，即理论最大复用通道数目为传播方向上结构层数的一半。图6实验演示了基于16层结构的3D NPC的高密度非线性全息复用，切换不同波长后可选择相应的骰子图案输出，考虑到各通道实际成像强度和效果，实际通道数目略低于理论通道数目8。

图6 实验演示高密度非线性全息复用

多通道的非线性全息复用是基于3D NPC的又一个重要拓展。这项工作成功演示了高效的非线性全息复用，除了波长以外，还可以通过偏振，角度，温度等自由度调谐Ewald球从而实现准相位匹配复用。复用通道数目上随着结构层数增加而增加，比如结构周期数达到200，理论上即可在250 nm的范围内实现100通道的非线性全息复用；同时非线性全息将信息重建在新的频率通道，这将为大容量的光学信息存储和安全的发展提供更多可能性。

论文信息：

Chen, P., Wang, C., Wei, D. et al. Quasi-phase-matching-division multiplexing holography in a three-dimensional nonlinear photonic crystal. Light Sci Appl 10, 146 (2021).

南京大学为论文第一单位，论文共同第一作者为陈鹏程、汪超炜博士、魏敦钊副教授和胡衍雷副教授，通讯作者为张勇教授、吴东教授和肖敏教授，论文工作也得到了祝世宁教授的指导。

论文地址：

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00588-5

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编辑 | 赵阳

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