圆形艾里光束实现高非局域非线性响应精准测量光学非线性检测再添新方法

    近日，河南师范大学物理学院赵兴东副教授、朱遵略教授团队联合南开大学物理学院胡毅教授团队提出一项光学测量新成果：利用圆形艾里光束的非线性传输特性，实现高非局域非线性介质响应的定量精准测量。相关研究论文以《Measurementof Highly Nonlocal Nonlinear Responsesvia Circular Airy Beams》为题，发表于光学领域权威期刊《Laser&Photonics Reviews》，为结构光在非线性光学检测领域的应用开辟了全新路径。

    结构光凭借可定制的光场分布与独特的光-物质相互作用行为，已在粒子操控、精密计量、分子手性检测、表面形貌表征等诸多领域展现出重要应用价值。在光学非线性探测方向，现有基于艾里光束的测量方案仅对局域非线性有效——即介质折射率变化仅发生在光场直接照射的区域；而面对非局域非线性体系时，其折射率响应会延伸至光场照射范围之外，传统方法因难以形成稳定的非线性艾里光束，无法将非线性响应映射为光强分布特征，测量面临原理性瓶颈。

    高非局域非线性介质广泛存在于自然界与人工材料体系中，是支撑远程孤子吸引、光学Glauber量子振荡器、集体激波奇点等奇异光学现象的物理基础，同时还能抑制光束自聚焦崩溃、实现全光信号调控，在光子器件设计与非线性光子学研究中占据核心地位。因此，建立高非局域非线性响应的高精度测量方法，具有重要的科学意义与工程应用价值。

    针对这一技术空白，研究团队创新性地引入圆形艾里光束作为探测光场，依托高非局域非线性体系通用的Snyder-Mitchell理论模型展开系统的理论与实验研究。在高非局域非线性条件下，介质非线性响应的特征宽度远大于光束尺寸，无论响应函数具体形式如何，折射率变化均可等效为抛物线型势阱。

    通过数值模拟与解析推导，研究团队揭示了核心规律：圆形艾里光束在高非局域非线性介质中传输时，光场轮廓会被非线性重塑为空心环形图案，且环形最内环的直径与输入光功率呈严格的线性关系；只需拟合该线性关系的斜率，即可定量反推出介质的非局域非线性响应系数。经理论验证，该方法的测量相对误差可控制在1%以内，且在存在光吸收的损耗介质中依然有效，不受吸收效应的干扰，具备良好的适用性与测量精度。

    为验证方案的实际可行性，研究团队以罗丹明B水溶液——一种典型的热致高非局域非线性材料为样品开展实验验证。实验采用532nm激光，经空间光调制器进行相位调制，再通过球面透镜完成傅里叶变换，在10mm长的样品池前端生成圆形艾里光束；通过梯度改变输入光功率，观测输出端面环形光斑的尺寸变化。

    实验结果与理论预测高度吻合：随着输入光功率提升，输出环形光斑的直径呈稳定线性增大趋势；通过标准线性拟合得到斜率后，计算得到的非线性响应系数与数值模拟结果匹配良好。研究团队进一步测试了不同浓度的罗丹明B溶液，发现非线性响应强度随浓度升高而增强，并在高浓度区间呈现饱和趋势，完全符合材料的非线性物理规律。此外，该方法还在金纳米颗粒胶体悬浮液体系中得到验证，证明了其在不同高非局域非线性材料中的通用性。

    值得关注的是，圆形艾里光束的特殊环形光场结构，还能有效抑制介质中的热对流效应，避免了传统高斯光束测量中常见的热畸变问题，进一步提升了测量的稳定性与可靠性。

    该研究首次将圆形艾里光束应用于高非局域非线性响应的定量测量，突破了传统结构光探测仅适用于局域非线性的局限。研究团队表示，这一测量方法不仅适用于罗丹明B溶液、纳米颗粒悬浮液，还可推广至热玻璃、生物悬浮液、二维材料等多种高非局域非线性体系；同时，具备无衍射、自聚焦特性的其他结构光（如螺旋马蒂厄光束）也有望沿用该原理，为后续非线性光学检测技术的拓展提供了新思路。

    这项工作既拓展了圆形艾里光束的功能边界，也为非线性光学基础现象研究、新型光子功能器件设计提供了关键的测量支撑，有望推动非局域非线性光子学领域的进一步发展。