导读

在非线性光学领域，长期以来，激光凭借其高功率和高度相干性，一直被视作驱动谐波产生及光束整形的关键光源。传统观点认为，相干性是光源与生俱来的特性，并非可调节的参数。早期，激光作为主要光源，其高相干性虽为发现非线性光学效应创造了条件，但也致使研究人员更多地聚焦于激光的高强度等其他特性，而对相干性的研究和利用不足。

然而，近期一项研究打破了这一传统观念的禁锢。研究团队创新性地提出了一种系统化的实验方案，能够在二次谐波产生过程中精准地定制空间相干性。这一突破不仅攻克了非线性光学领域长期存在的技术难题，还为红外成像、非线性结构光束整形等多个前沿领域带来了全新的发展契机。该研究以“Coherence synthesis in nonlinear optics”为题发表于《Light: Science & Applications》。该工作由以色列特拉维夫大学博士生庞子灏和Ady Arie教授共同完成，两人均为论文的通讯作者。

背景：非线性光学系统中的相干性

相干性作为光学领域的核心概念，决定着光波在空间和时间上的有序性，进而直接影响光的成像、传输以及与物质相互作用的能力。在传统的非线性光学系统中，人们通常将高相干性视为激光的固有属性，研究重点多放在优化相位匹配和功率密度以提高谐波产生的效率上。

然而，在二阶非线性系统中，如何实现定制化的二次谐波相干性却一直是个难题。由于描述二阶非线性系统中相干性从基频光到二次谐波传递的理论模型极为复杂，设计一套全面有效的实验方案困难重重。截至目前，科学界尚未建立起一种能够系统操控二次谐波空间相干性的完整框架。

本研究成功实现了这一目标。研究团队提出的实验方法，不仅可在产生二次谐波的过程中主动设计与合成空间相干性，还将相干性从传统的 “被动接受” 转变为可自由调控的工具。图 1 清晰地展示了这一理念，无论是 “笑脸” 图案的相干性结构，还是构建非相干结构光束，比如如涡旋光束与艾里光束，都充分体现了该研究通过精准操控空间相干性，在二阶非线性系统中实现多种实际应用的能力。

图1. 利用二次谐波实现：(a) 合成“笑脸”图案的相干性结构； (b) 轨道角动量守恒的非相干涡旋光束； (c) 具有自加速特性的非相干艾里光束。

从红外到可见光：解锁相干性的新功能

在本次研究中，研究团队突破传统思维，将相干性作为非线性光学系统的核心变量。他们成功在非线性系统中实现了由 “笑脸” 图案组成的空间相干性的合成，首次把在非相干光照明下的复杂图案从红外光谱转移到了可见光谱，有力地证明了相干性在非线性频率转换中蕴含的巨大潜力。

图 2 详细展示了实验过程。研究人员首先使用由 800 帧随机散斑组成的完全非相干光源照射印有 “笑脸” 图案的物体，生成基频光的散斑场。然后通过数值方法提取这些散斑场的复数场分布，并利用振幅和相位调制对光场进行编码，将目标相干性嵌入其中。接着，把经过调制的散斑场加载到空间光调制器上，用以塑造进入非线性晶体的泵浦光。最后，通过非线性晶体产生的二次谐波散斑在远场处经过统计平均后，一个清晰的 “笑脸” 图案得以成功还原。

图 3 直观地呈现了实验结果：随着叠加的二次谐波散斑帧数的增加，“笑脸” 图案逐渐由模糊变得清晰可辨。从图 3a 到 3d 可以看出，单帧的散斑图案看似毫无规律，但随着帧数的增多，隐藏的相干性逐渐显现，最终在累计 800 帧后，“笑脸” 图案被完美还原。这一成果充分彰显了空间相干性在非线性光学中的定制化能力。通过将复杂图案的相干性从红外光谱成功转移到可见光谱，该技术为红外成像领域开辟了全新的方向，在医学诊断、环境监测和安防等领域展现出广阔的应用前景。

图2. 空间相干性的非线性合成实验过程：利用振幅、相位调制编码 “笑脸” 图案，在二次谐波中实现空间相干性合成。

图3. “笑脸”图案逐步形成的过程： (a) -(d) 随着二次谐波散斑帧数的增加，图案从模糊到清晰，至 800 帧完整呈现。

非线性光学中的非相干结构光束

操纵相干性的作用不仅体现在成像方面，在塑造结构光束领域也有着巨大的潜力。涡旋光束和艾里光束等结构光束在光学操控、通信和显微成像中都有着重要的应用。多年来，关于非线性产生各种相干结构光束的研究已经较为成熟，现有方法全面且有效，通常依赖高度相干的激光源来实现对光束精确的振幅和相位分布的控制。

然而，尽管取得了这些进展，非线性产生非相干结构光束的研究却几乎是空白。本研究正是针对这一关键空白展开，首次借助相干性合成技术证明，即便采用非相干泵浦源，也能够通过二次谐波产生实现复杂的结构光束。

图 4 展示了通过二次谐波产生实现非相干涡旋光束的实验过程与结果。在非相干条件下构建涡旋光束的关键挑战在于，如何在非线性频率转换过程中维持并观测到由轨道角动量诱发的相干性奇点。研究人员利用空间光调制器将螺旋相位分布编码到基础频率下的输入散斑场中，随后，经过调制的散斑场作为泵浦源被输入周期性极化的非线性晶体，在晶体中产生二次谐波散斑。尽管整个非线性系统是基于非相干光构建的，但研究人员通过对散斑进行远场互相关测量，依然观察到了典型的由轨道角动量所引发的环形相干奇点现象。特别地，二次谐波的环形奇点个数是基频的两倍，这种奇点翻倍的特性进一步验证了非线性过程中的轨道角动量守恒定律。这一发现为光学微操控和量子通信等领域的结构光束应用拓展到非相干或部分相干光源提供了重要支撑。

此外，图 5 展示了艾里光束的实验结果。研究人员成功产生了具有自加速特性的非相干二次谐波艾里光束，且该非相干二次谐波艾里光束的自加速特性与基频光一致，并且不会随着相干性的减弱而衰减。另外，随着相干性的降低，光束的能量更多地聚焦在主光斑，而边缘光斑的能量则逐渐减弱。

图4. 非相干涡旋光束的合成：在非线性频率转换过程中轨道角动量守恒。

图5. 非相干艾里光束的合成：基频与二次谐波光束的自加速特性得以保持，旁瓣随相干性降低而逐渐减弱。

总结与展望

这项工作推动了相干性在非线性光学领域理解与利用方式的转变，为接下来关于非相干光在非线性系统的研究带来了新的范式。通过在非线性频率转换过程中合成和操纵相干性模式，该研究表明相干性不仅是一种必要条件，更是一种具有深远影响的可调特性。它为高阶非线性过程开辟了新的途径，如三次谐波和四波混频等。研究结果不仅在基础研究层面加深了对光学相干性的认识，还为光学非线性相互作用至关重要的红外成像和荧光显微镜应用开启了令人期待的可能性。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01749-6