1.本技术涉及非线性光学领域中的频率转换技术领域，尤其涉及一种非线性q-plate器件及其制作方法。
背景技术：
2.q-plate是一种具有特定空间几何对称性的平面光子学器件，由于其结构简单、紧凑，易操作等优点在自旋-轨道角动量相互作用，涡旋光束和矢量光束的产生等领域有着重要的应用。目前，已广泛应用于量子通讯、超灵敏角度测量、光学微操控和光学微加工等方面。常见的q-plate器件是由液晶材料制成的，其原理是利用液晶分子的偏振旋光特性和双折射效应，光轴相对于方位角呈空间变化分布，可以在不同空间位置处引入不同的相位延迟δ。q-plate可以将光子自旋角动量转换为轨道角动量。根据拓扑荷q值的不同，当输入一束右旋圆偏振光时，输出为左旋圆偏振光并且携带不同数值的轨道角动量。此外，q-plate也常用于直接产生矢量光束，即将输入的均匀线性偏振光转换为具有空间偏振变化的矢量光束。
3.然而，目前这一器件的研究均停留在线性光学范畴。却未在非线性光学领域中得以应用。现有的非线性光路通过马赫增德干涉仪、signac干涉仪、级联非线性晶体产生非线性矢量光束，光路复杂，无法通过单一器件同步实现非线性矢量光束的产生和非线性自旋-轨道角动量转换。
4.因此，本领域的技术人员致力于开发一种非线性q-plate器件及其制作方法，将极大地拓展这一功能器件应用的波段范围，并进一步促进光与物质相互作用的基础研究。
技术实现要素：
5.为实现上述目的，本技术提供了一种非线性q-plate器件，所述非线性q-plate器件由满足相位匹配条件的非线性晶体按照特定的旋转对称方式切割、拼接并抛光制作而成，所述非线性q-plate器件具有不同q值。
6.进一步地，所述相位匹配条件包括双折射相位匹配或准相位匹配等。
7.进一步地，所述非线性晶体在选取的非线性频率转换波长下满足所述相位匹配条件。
8.进一步地，所述特定的旋转对称方式切割具体为：将所述非线性晶体切割成n个扇形片，所述扇形片在切割时在空间上具有特定的旋转对称性。
9.进一步地，n个所述扇形片所对应的圆心角θ均为所述拼接的具体方式为将第1、2、3、4
……
n个所述扇形片按顺时针或逆时针的顺序拼接而成。
10.进一步地，所述抛光精度远小于波长尺度，以保证后续产生光场波前的均匀性。
11.进一步地，所述扇形片由非线性晶体切割而成。
12.进一步地，所述非线性q-plate器件的q值为1时，以所述非线性晶体的底边，作为
每一个所述扇形片的切割起始边；以与所述方形非线性晶体的底边呈角度的边，作为每一个所述扇形片的切割终止边，如图2(a)所示。
13.进一步地，所述非线性q-plate器件的q值为2时，以所述方形非线性晶体的底边，作为第1个所述扇形片的切割起始边；以与所述方形非线性晶体的底边呈夹角的边，作为第1个所述扇形片的切割终止边；第2、3、4
……
n个所述扇形片的切割起始边，相对于前一个所述扇形片的切割起始边呈夹角。
14.进一步地，所述非线性q-plate器件的q值为m时，以所述方形非线性晶体的底边，作为第1个所述扇形片的切割起始边；以与所述方形非线性晶体的底边呈夹角的边，作为第1个所述扇形片的切割终止边；第2、3、4
……
n个所述扇形片的切割起始边，相对于前一个所述扇形片的切割起始边呈夹角，如图3(a)所示
15.本技术还提供了一种非线性q-plate器件的制作方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
16.步骤一：根据工作波长选取非线性晶体材料；
17.步骤二：根据相位匹配方式，准备双面抛光的非线性晶体；
18.步骤三：根据组成所述非线性q-plate器件的所述扇形片的数量，以及所述非线性q-plate器件的q值，从所述方形非线性晶体上按照特定的旋转对称方式切割得到所述扇形片；
19.步骤四：将所述扇形片按顺序依次拼接。
20.步骤五：将扇形片用粘合剂粘合，经过打磨抛光制成所述非线性q-plate器件。
21.本技术提供的基于非线性晶体空间旋转对称性制作成的非线性q-plate器件，能够在单一器件中同步实现非线性矢量光束的产生和非线性自旋-轨道角动量转换。相较于现有技术，本发明具有实验光路简单、调节灵活、转换效率高等特点。同时，本发明在单一器件中可实现多种功能，有利于器件的多动能化、集成化发展。
22.以下将结合附图对本技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本技术的目的、特征和效果。
附图说明
23.图1为本技术一个实施例中q＝1时，12个扇形片的切割和拼接示意图；
24.图2为本技术一个实施例中q＝1时，n个扇形片的切割和拼接示意图；
25.图3为本技术一个实施例中q＝m时，n个扇形片的切割和拼接示意图。
具体实施方式
26.以下参考说明书附图介绍本技术的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本技术可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本技术的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。附图中的数字为扇形片的序号。
27.实施例一
28.本实施例提供了一种q＝1(q为非线性q-plate器件的拓扑荷数)的非线性q-plate器件及其制作方法，该非线性q-plate器件由满足相位匹配条件的非线性晶体按照特定的旋转对称方式切割并拼接制作而成，并具有不同q值。相位匹配条件包括双折射相位匹配或准相位匹配，而该非线性晶体在选取的非线性频率转换波长下满足相位匹配条件。优选地，该非线性q-plate器件呈圆形片状，由多个扇形片拼接而成。在本实施例中优选地，非线性q-plate器件由12个扇形片拼接而成，每个扇形片所对应的圆心角均为30
°
。组成扇形片的材料优选为铌酸锂晶体。铌酸锂为负单轴晶体，选用第ι类oo-e型双折射相位匹配形式，能够实现激光波长从1064nm到532nm的倍频。根据铌酸锂晶体sellmeier方程的计算结果可知，室温条件下，这一倍频过程对应铌酸锂的相位匹配角度为75
°
。由于是双折射相位匹配，铌酸锂晶体厚度的选择既要保证高的转化效率同时也应考虑寻常光和非常光的空间走离效应。本实施例的切割和拼接示意图如图1所示。
29.制作本实施例的q＝1的非线性q-plate器件具体步骤如下：
30.首先，根据工作波长，选取尺寸为30
×
40
×
1mm3的铌酸锂晶体，其大面为通光面。当基频光正入射到通光面时，晶体满足上述oo-e型相位匹配角。对这两个通光面进行双面光学级精细抛光后，切割成如图1(a)所示的12个尺寸为10
×
10
×
1mm3的方形片。在每一个方形片上，选取o点为圆心，方形片的底边，即图中水平方向的边为扇形片的切割起始边，以与底边呈30
°
的边作为每一片扇形片的切割终止边。以此切割出12个圆心角θ为30
°
的扇形片。然后，按照从1到12的顺序，将12个扇形片以顺时针或逆时针的顺序依次旋转拼接起来。用502胶水固化后，进行双面精细抛光，制作成q值为1的非线性q-plate器件。成品的结构如图1(b)所示。
31.在其他类似的实施例中，可以采用n个扇形片拼接得到q＝1的非线性q-plate器件。如图2所示，每个扇形片所对应的圆心角均为选取尺寸合适的铌酸锂晶体方形片，切割成如图2(a)所示的n片尺寸为10
×
10
×
1mm3的方形片。在每一个方形片上，选取o点为圆心，方形片的底边，即图中水平方向的边为扇形片的切割起始边，以与底边呈的边作为每一片扇形片的切割终止边。以此切割出圆心角θ为的扇形片。然后，按照从1到n的顺序，将n个扇形片依次旋转拼接起来。优选地，可以将1到n个扇形片进行逆时针顺序的拼接，如图2(b)所示；也可以将1到n个扇形片进行顺时针顺序的拼接，如图2(c)所示。
32.基于本实施例的非线性q-plate器件，先将1064nm的左旋圆偏振泵浦光垂直入射到该非线性q-plate器件上，对应倍频光场表达式为实验中，生成了波长为532nm的倍频光，利用偏振片检测，可以确定所产生倍频光是拓扑荷为1的角向矢量光束。同时，对倍频光波前相位进行检测，可以验证该倍频光还携带拓扑荷为2的涡旋相位，即实现了非线性自旋-轨道角动量转换。
33.实施例二
34.本实施例提供了一种q＝m的非线性q-plate器件及其制作方法。与上述实施例类似地，该非线性q-plate器件采用n个铌酸锂晶体材料的扇形片拼接得到，每个扇形片所对
应的圆心角均为选取尺寸合适的铌酸锂晶体，切割成如图3(a)所示的n片尺寸为10
×
10
×
1mm3的方形片。在每一个方形片上，选取o点为圆心。与上述实施例不同的是，对第1个至第n个扇形片进行切割时，选取不同的切割起始边。对于第一个扇形片，选取方形铌酸锂晶体片的底边作为切割起始边。对于第二个扇形片开始至第n个扇形片，后一个扇形片的切割起始边相比前一个扇形片的切割起始边，角度增加
35.当q＝m时，如图3(a)所示，除了第1个扇形片的切割起始边为铌酸锂晶体方形片的底边(图中水平方向的边)以外，后续每一个扇形片的切割起始边与铌酸锂晶体方形片的底边均呈角度扇形片的序号每增加1，则该角度增加对于每一个扇形片，选取与其对应的切割起始边呈角度的边作为切割终止边，以此切割出圆心角θ为的扇形片。然后，按照从1到n的顺序，将n个扇形片依次旋转拼接起来。优选地，可以将1到n个扇形片进行逆时针顺序的拼接，如图3(b)所示；也可以将1到n个扇形片进行顺时针顺序的拼接，如图3(c)所示。
36.采用本实施例的方法，可以根据扇形片的切割和拼接方式不同，可以制成任意q值的q-plate器件(选取合适的切割起始边以及切割终止边)。当器件按顺序逆时针旋转拼接时：基频光为左旋圆偏振光时输出二次谐波可表示为基频光为右旋圆偏振光时输出二次谐波可表示为当器件按顺序顺时针旋转拼接时：基频光为左旋圆偏振光时输出二次谐波可表示为基频光为右旋圆偏振光时输出二次谐波可表示为其中分别表示坐标x轴和y轴的偏振基矢，φ是光偏振矢量与x轴的夹角。因此，制作而成的非线性q-plate器件在产生非线性矢量光束的过程中，同时实现非线性自旋-轨道角动量相互转换，生成非线性涡旋光束。
37.以上详细描述了本技术的较佳具体实施例，在其他类似的实施例中，铌酸锂材料也可以根据实际工作波长选取其他材料，诸如钽酸锂、bbo晶体、lbo晶体、kdp晶体等。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本技术的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本技术的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。