Laser & Photonics Reviews: 相干原子介质中的涡旋阵列制备及调控

撰稿|由课题组供稿

      近日，山西大学激光光谱研究所汪丽蓉教授、元晋鹏副教授实验课题组与理论合作者陈刚教授首次采用原子介质设计了一种新型的叉形光子晶格，并在实验上成功实现了涡旋阵列的制备及调控。研究团队在实验上利用高斯光束与涡旋光束在三能级阶梯型铷原子相干介质中进行干涉，电磁诱导形成新型叉形光子晶格，当探测光场输入到该光子晶格中时，通过合理的改变相关系统参数，探测光场的极化率可以被周期性地进行调控，清楚地反应在衍射级数的变化上，打破固有的衍射规律，获得多衍射级以及可控各级衍射效率的输出衍射光场，同时光子晶格叉形结构会对衍射级数进行螺旋相位的叠加，在输出平面获得多维可调涡旋阵列。该研究成果以“Creation and control of vortex-beam arrays in atomic vapor”为题于2023年1月31日在线发表在《Laser & Photonics Reviews》上。

图1 (a) 实验装置图；(b) 实验能级图；(c) 一维涡旋阵列产生示意图；(d) 产生一维驻波场的干涉光束的空间分布；(e) 产生二维驻波场的干涉光束的空间分布。

     涡旋光束是一种具有螺旋相位波前的特殊结构光，每个光子均携带确定大小的轨道角动量，理论上具有无限多的本征态，可以为光场调控提供新的可控自由度。涡旋阵列由多个涡旋光束组成，可以利用相互正交的每一阶轨道角动量作为一个独立信道来传输信息，因此具有更高的调控性，在光学微操控和光通信等领域有更广阔的应用前景。目前制备涡旋阵列的通用方法主要是利用达曼光栅、叉形光栅、全息相位板以及超表面材料等基于叉形原理的衍射光学元件，一般根据提前模拟好的参数进行构造，产生的涡旋光束/涡旋阵列存在可控自由度低的局限，极大地限制了涡旋阵列的大规模应用。因此，急需一种可方便快速调节的纯净介质来进行制备涡旋阵列的研究。

      原子介质具有纯净无杂、可调谐和响应快等特点，基于原子介质的人造周期性介电结构近年来在新型可调光子带隙的光子晶体构造中逐步发挥着重要作用。电磁诱导光子晶格是在电磁诱导透明效应的基础上施加驻波耦合光场诱导而成的新型人造周期性介电结构，与固态结构相比，具有灵活可调和易重构的新特点，通过对施加光场特性的改变，光子晶格的折射率可以被周期性地进行调制，有效地揭示了非厄密、拓扑边界态、手性电流、平带等奇异物理效应对原子晶格以及输入光场的物态调控规律，发现特有的新现象和效应，弥补了固态周期性结构在光场调控方面的局限性。

      研究团队在实验上利用高斯光束与涡旋光束在三能级阶梯型铷原子相干介质中进行干涉，电磁诱导形成新型叉形光子晶格，利用其通过对入射光束的衍射以及螺旋相位的叠加获得多维可调的涡旋阵列。首先在原子介质中通过构造沿x方向传播的叉形驻波场诱导一维叉形光子晶格，实现一维涡旋阵列的制备与操控。研究发现当入射光束为高斯光束时，所生成的涡旋光束的拓扑荷由干涉光场的分叉数以及衍射级数决定，通过对实验参数的调节可以有效的操控生成涡旋光束的衍射效率。其中，生成拓扑荷为1的一级衍射涡旋光束的最大衍射效率可达18%。

图2 一维涡旋阵列的制备及调控。(a-f)为入射光束为高斯光束时所制备一维涡旋阵列的理论模拟与实验结果；(g, h) 为一阶衍射效率随不同实验参数的变化关系。

      接着引入沿y方向传播的叉形驻波场，与沿x方向传播的驻波场相互交叠诱导二维叉形光子晶格，实现了二维涡旋阵列的制备。实验获得3×3的高分辨率方形涡旋阵列，由于入射光束为高斯光束，该阵列中的光束相对于中心光束呈镜面对称分布，每个光束的拓扑荷由两个方向驻波场以及衍射级数共同决定，实验结果与理论模拟高度吻合。该二维阵列同样具有优良的可调谐特性，同时由于维度的增加，操控效果更加明显。

图3 二维涡旋阵列的制备。(a-f)为入射光束为高斯光束时所制备二维涡旋阵列的理论模拟与实验结果。

     为了进一步说明该新型叉形光子晶格的实用性，研究人员将入射光束由高斯光束更换为涡旋光束，研究在涡旋光束入射下所产生的涡旋阵列。涡旋光束的入射打破了高斯光束入射下产生阵列的镜面对称，每个涡旋光束拓扑荷也受到入射光束拓扑荷的影响，获得更加丰富拓扑荷组合的涡旋阵列。由于该系统卓越的相位调节机制，通过调节入射涡旋光束的相位特性，产生涡旋光束的衍射效率可以得到有效提高，并在理论上将该阵列扩展到5×5、7×7等更大的维度，对于进一步增强可调涡旋阵列的实际应用具有重要的意义。

图4 入射光为涡旋光束时涡旋阵列的制备。(a-f)为入射光束为涡旋光束时所制备一维涡旋阵列的理论模拟与实验结果；(g, h)为对应的二维涡旋阵列的理论模拟与实验结果。

      综合上述，该方案的创新性如下：一是原子介质与固体材料相比具有更优的可调谐性；二是多光束干涉的设计具有多样性，可以用来探索更多复杂几何结构的涡旋阵列；三是该系统具有实时可调轨道角动量、强度和空间分布等多个自由度，可以广泛应用在光学操作、光学加工、光通信等领域。

      山西大学激光光谱研究所元晋鹏副教授和博士生张恒飞为论文的共同第一作者，山西大学激光光谱研究所汪丽蓉教授和陈刚教授为论文共同通讯作者，贾锁堂教授和肖连团教授等共同参与了工作。该成果得到了国家重点研究发展计划、国家自然科学基金面上项目等项目的资助。

论文地址：

https://doi.org/10.1002/lpor.202200667