矢量光場與堿金屬原子介質相互作用的研究進展（特邀）

楊欣，潘楚榮，陳云，王金文，衛(wèi)棟，高宏

（西安交通大學物理學院物質非平衡合成與調控教育部重點實驗室陜西省量子光學與光電量子器件重點實驗室，西安 710049）

0 引言

人類對光的本質及其與物質相互作用的研究從很早以前就開始了，由于物質獨特的光學性質，可以在不同程度上改變光的行為，通過對入射和出射光束的觀察，唯象地建立起光與物質相互作用的初步模型。但是早期的研究主要是對實驗現象的歸納與總結，并未涉及基本的物理過程和建立合理的理論框架。19世紀以前人們通過對光的探索，逐步建立起經典的幾何光學與波動光學［1-2］。直至20世紀初，光子的波粒二象性以及光與物質相互作用的量子理論才逐漸被建立起來［3，4］。

1960年，梅曼在實驗室成功產生人類歷史上第一束激光，驗證了1916年愛因斯坦關于激光的理論，并成為推動現代科學發(fā)展的最偉大成就之一［5-8］。在此之后，幾乎所有光學相關的諾貝爾獎都與激光有著千絲萬縷的關系［9-11］：1981年激光光譜儀的開發(fā)，改善了原有光譜技術在靈敏度和分辨率方面的不足；1997年原子的冷卻與捕獲，推動了科研人員在冷原子領域取得新的進展；2018年激光光鑷的發(fā)明，促進了人們實現操縱原子、分子和生物細胞的發(fā)展。具體而言，光與物質的相互作用，實質上是組成物質的微觀粒子吸收或輻射光子，同時改變自身相關屬性的表現。在現代物理體系中，光通常是指具有高相干特性與單色性的激光。自激光問世以來，如何實現對光場振幅、相位、偏振等不同自由度的靈活調控，成為相關領域的研究重點，有助于促進光與物質相互作用過程中新現象的發(fā)現及新應用的發(fā)展。值得注意的是，振幅與相位描述的是光場傳播中波陣面上可用標量數值所表示的信息，而偏振則是垂直于光場傳播方向上用矢量所表示的信息（電場矢量的振動軌跡）。熟知的光場模式，例如厄米高斯模式［12］、拉蓋爾高斯模式［13］以及因斯高斯模式［14］，都是通過對標量亥姆霍茲方程求解得來，且擁有特殊的空間振幅及相位分布。同時，它們具有一個共同的特點即偏振狀態(tài)在空間分布上是均勻的，可以通過光學元件轉換為線性偏振、圓偏振或橢圓偏振等任意均勻的偏振態(tài)。相對于標量光場，1961年，SNITZER E 從理論上提出了一種空間偏振分布不均勻的電磁場模式［15］，即矢量光場（Vector Beams，VBs），同時也是滿足矢量亥姆霍茲方程的解［16］。1972年，POHL D 與MUSHIAKE Y 等分別在實驗上產生了兩種具有特殊空間偏振分布的柱對稱矢量光場：角向偏振矢量光場［17］與徑向偏振矢量光場［18］。然而，由于相關技術發(fā)展的局限性和對這類特殊光場的特性認識不足，此后近三十年的時間里，關于矢量光場相關研究的進展非常緩慢［19-24］。

進入21世紀，有關矢量光場的研究才逐步展開?？蒲腥藛T在研究矢量光場的聚焦特性時發(fā)現，非均勻偏振分布的矢量光場在焦場能夠產生很強的縱向電場分量［25-28］以及結構化的橫向電場分量［29-31］，同時還可以得到更小的聚焦光斑［32］。同時，科研人員意識到矢量光場作為偏振態(tài)與軌道角動量（Orbital Angular Momentum，OAM）的不可分離態(tài)［33］，是理解和類比量子糾纏的有效工具［34］，也是編碼高維信息的理想載體［35-37］。綜上所述，矢量光場在經典與量子通訊［38，39］、光學操控［40，41］和顯微成像［42，43］等領域具有重要的研究價值與廣泛的應用前景。除此之外，在以往的光與物質相互作用的研究中，所涉及的大多是偏振均勻分布的標量光場，而矢量光場的非均勻偏振特性為光與物質相互作用提供了更多的自由度，進而豐富了光與物質相互作用的全面性和多樣性。得益于科技進步，矢量光場的產生方法目前已經相對成熟，極大地促進了矢量光場與物質相互作用這一新興研究領域的發(fā)展［44，45］。堿金屬元素作為一類光學活性介質，其原子極化與光場的偏振狀態(tài)密切相關，是研究矢量光場與物質相互作用的理想平臺。當光場與原子介質相互作用時，不但可以實現光場結構的調控，而且會導致原子介質光學性質（或極化率）的改變，有效地使光場與原子介質關聯在一起，而這些獨特的性質在量子計算［46］、量子通訊［47，48］和量子精密測量［49-51］等領域都有著潛在的應用價值。本文回顧并總結了近年來矢量光場與堿金屬原子介質相互作用的研究進展，首先簡單介紹了矢量光場的性質，之后分別對矢量光場與原子介質相互作用中的各向異性、量子相干性以及非線性效應的相關工作進行了概述與總結，最后對這一新興領域未來的發(fā)展進行了展望。

1 矢量光場

矢量光場主要相對于標量光場提出，其作為矢量亥姆霍茲方程的特解展示出了豐富的偏振信息以及特殊的焦場特性，在新型結構光場構建與調控、光與物質相互作用領域有非常重要的應用。矢量光場可以表示為兩個偏振正交且攜帶不同OAM 的兩個基矢的相干疊加。為了清楚表征矢量光場，研究人員基于Jones矩陣表示法、Stokes 參量法以及龐加萊球表示等多種通用方式分別對矢量光場進行數學和幾何描述。

Jones 矩陣采用列向量實現光場偏振的描述，傳統(tǒng)的柱矢量光場可以表示為攜帶不同OAM 的左旋與右旋圓偏振光的相干疊加，即

式中，l表示OAM 的拓撲荷數，φ表示極角。若兩光場的相對相位差不固定，則圖1 展示的是當l=1 時，不同相對相位差下光場的偏振分布。近年來，隨著矢量光場的深入研究，科研人員發(fā)現可以靈活調節(jié)兩相干光場的振幅、相位以及OAM 的大小等參量實現各類矢量光場的產生。

Stokes 參量主要指實驗中光場偏振探測的可觀測量S0、S1、S2以及S3，其中S0表示光場的總體強度分布；S1表示光場豎直和水平偏振分量之差；S2表示對角和反對角偏振分量之差；S3表示左右旋偏振分量之差。實際實驗中，通過三個斯托克斯參量可以重構任意光場的偏振分布。

1892年，PITZGERALD G M 提出利用球面表征光場偏振的方法［52］，該方法可以直觀地描述標量光場的偏振態(tài)以及偏振態(tài)之間的轉化。近年來，研究人員通過類比標量龐加萊光場，發(fā)展并完善了描述矢量光場的高階龐加萊球［53-54］。相比于標量龐加萊球，高階龐加萊球由偏振正交且攜帶OAM 的左右旋圓偏振基矢構成。圖2 表示的是l=±l 的情況。兩正交基矢之間的相位差沿赤道逐漸變化，由該基矢組疊加而成的矢量光場偏振態(tài)也隨著赤道方向發(fā)生改變。

自矢量光場問世以來，多數研究小組致力于其生成方式的研究，典型的生成方案主要有主動和被動法兩種。主動產生方案指通過選擇合適腔鏡以及雙折射晶體，在激光器內部通過模式選擇促使激光器以矢量模式輸出，該方式具有穩(wěn)定、高效等特點，但是不夠靈活，不易產生任意可調的矢量光場。被動生成方案指在激光腔外對基模高斯光進行調制，通過在光路中加載偏振調制器或者搭建干涉儀實現矢量光場的產生。該方案的產生效率依賴于光學元件，但是靈活多變，原理上可以得到任意空間偏振分布的矢量光束。

主動生成方案：1972年，POHL D 等采用方解石晶體，通過搭建望遠鏡系統(tǒng)以及光闌實現激光腔內模式萃取，如圖3（a）所示［18］，通過調Q 開關最終實現了徑向矢量光場的輸出。2005年，KOZAWA Y 通過在激光腔內插入Brewster 鏡實現鏡像矢量光場模式輸出［55］，如圖3（b）所示。2007年，AHMED M A 小組采用多層圓形偏振光柵實現矢量光場的輸出，如圖3（c）［56］。2016年，NAIDOO D 等基于激光腔實現了高階矢量光場的高純度輸出［57］。如圖3（d）所示，該小組利用激光腔內部的幾何相位并將光子偏振映射到OAM，從而證明標準激光腔可產生高純度的矢量渦旋光場。除此之外相關研究小組通過激光腔內部搭建干涉儀實現矢量光場的直接輸出，如圖3（e）所示［58］。

被動生成方案：在光學諧振腔外，通過搭建干涉光路、加載渦旋半波片（Q-plate），利用空間光調制器、數字微鏡以及超表面材料等方式實現矢量模式的輸出。Q-plate 是生成矢量光場的常用器件之一，它是一種快軸隨空間角向變化的光學元件［59］，該器件多采用光刻技術或液晶聚合物等微納加工技術實現。圖4（a）為單一偏振光場經過快軸周期性空間變化的Q-plate 后產生矢量光場。除此之外，Q-plate 也可以作為光子自旋角動量（Spin Angular Momentum，SAM）到OAM 的轉換器件。干涉法主要針對矢量光場兩個相干基矢進行操作，是指給兩路偏振正交的相干光束加載螺旋相位最終干涉生成矢量光場。2011年，南京大學王慧田教授團隊采用空間光調制器產生OAM 光場模式，通過搭建雙路徑干涉實現了矢量光場的產生［60］。同年，MORENO I 等通過平行排列的空間光調制器實現了任意空間偏振變化的光場［61］。2013年，MALUENDA D 團隊通過搭建Mach-Zehnder 配置光路實現了任意光強分布以及任意偏振分布的矢量光場［62］。同年，詹其文教授團隊利用空間光調制器實現了任意矢量光場的產生，并且產生該光場的任意像素點都獨立可控［63］。2018年，趙建林教授研究團隊基于分屏思想實現了任意矢量光場的高效產生［64］。通過干涉法產生任意矢量結構光場的研究不勝枚舉，近年來，隨著新一代信息技術革新，空間矢量結構光場帶來的新機遇與新挑戰(zhàn)使多數研究者致力于探索更為優(yōu)越的矢量光場生成方案。例如，基于分屏思想的高效矢量光場生成方案，如圖4（d）所示［65］；基于具有集成潛力的超表面的矢量光場產生方式［66］。矢量光場的測量技術作為檢測光場的關鍵技術具有重要研究意義，實驗上通常采用斯托克斯參量法實現矢量光場偏振分量的測量［67-69］。多種產生以及測量方式的不斷演進促使矢量光場在未來新技術的應用領域彰顯重大應用前景［70-71］。

矢量光場具有自旋-軌道角動量耦合的內稟結構以及獨特的焦場屬性，已在多個領域展現出巨大的應用潛力。2009年，SZOPLIK T 研究小組利用矢量光場驗證其在表面等離激元方面的應用潛力［72］。2010年，王慧田教授研究團隊將具有空間偏振分布的矢量光場應用于光場微調控，并在實驗上驗證了矢量光場在粒子捕獲方面的獨特優(yōu)勢［73］。2011年，HNATOVSKY C 等利用矢量光場在焦場的特殊極化分布，并通過矢量脈沖驗證了結構性縱向電場對材料進行微加工的可能性［74］。2010年，KWIAT P G 等通過雙折射晶體產生單光子源，并將單光子態(tài)編碼至光子SAM 和OAM，最后通過量子層析驗證了單光子高維編碼的可能性［75］。關于矢量光場的產生方法、基本屬性和相關應用，有興趣的讀者還可以參考其他較為全面的綜述文章［76-89］以及綜述中所引用的相關文獻。

2 調控原子介質的空間各向異性

原子介質在無外場作用下表現出各向同性，這里的外場是指光場、磁場或者微波場等。在外場的作用下，原子在不同能級的粒子數布居或不同原子的極化狀態(tài)會發(fā)生改變，從而誘導原子介質各向異性的發(fā)生，具體表現在對光場偏振依賴的吸收（二向色性）以及偏振依賴的色散（雙折射性）。其中典型的效應有磁光效應與光泵浦效應，目前也已被廣泛應用到了原子磁力計［90-92］和偏振選擇吸收光譜［93-95］等相關研究領域。值得注意的是，絕大多數的研究都是基于單一（均勻）的偏振光場與原子介質相互作用，在時間頻率維度上探索介質吸收或色散的變化。然而，當引入空間偏振分布不均勻的矢量光場與原子介質相互作用時，便可以從空間維度上探索介質的各向異性，實現空間分布的原子極化。

在利用光場改變原子介質各向異性的工作中，最常用的是泵浦探測技術［96-98］。一束功率較強的泵浦光場誘導原子介質的粒子數布居或自旋排列，同時利用同向或者反向傳播的探測光場（功率相比于泵浦光較弱）對介質的各向異性進行探測。需要說明的是，泵浦光場的偏振狀態(tài)決定了相互作用中的量子化軸，對應著原子的自旋排列，從而影響探測光場與原子介質的相互作用，具體而言就是能級躍遷的選擇。此外，同向傳播的兩束光場之間的多普勒頻移可以相互抵消，然而在反向傳播中則需要考慮原子介質不同運動方向下所引起的多普勒頻移，這將導致多個能級共同參與到相互作用中。這也是所有原子相關實驗中，人們利用泵浦探測技術獲得原子介質的飽和吸收光譜，從而實現對激光頻率鎖定的常用方式［98-101］。因此，對于不同偏振組合、不同傳播方向的泵浦光場與探測光場，探測到時間與空間的響應也有所不同。目前，關于利用單一偏振光場誘導原子介質各向異性的研究已經非常成熟，感興趣的讀者可以參考相關書籍［102-103］。接下來，本文將重點介紹近年來利用矢量光場調控原子介質空間各向異性的相關工作進展。

2011年，FATEMI F K 等利用矢量光場在85Rb 原子介質中基于反向傳播的泵浦探測技術探索了圓偏振依賴的空間二向色性［104］。實驗中將激光頻率調節(jié)到相對于原子共振頻率紅失諧300 MHz 處，以消除多普勒運動下其他超精細能級的影響，從而實現近似二能級結構的原子躍遷通道。當較強泵浦光場的圓偏振分量將對應空間位置處的原子布居到相應的塞曼子能級上時，會導致對不同圓偏振探測光場的吸收或透射。正交的圓偏振光場具有相反的電矢量螺旋性，意味著光子攜帶相反的SAM。因此，在光泵浦效應下的原子介質展示出空間依賴的圓偏振二向色性，這一工作為實現基于原子介質的圓偏振器件提供了有效參考。但該工作僅對透射光場的強度分布進行了分析，對透射光場在其他自由度上所攜帶的信息仍然未知。此外，類似的偏振依賴二向色性也可以在更復雜的開放能級結構中實現：通過利用原子運動下的多普勒效應，泵浦光場與探測光場將分別耦合不同的原子躍遷能級［105］。基于這項原理，本課題組在87Rb原子介質中通過引入矢量光場并將激光頻率鎖定于交叉峰，在泵浦探測配置下分別實現了空間依賴的圓偏二向色性與線偏二向色性的探索［106-107］，實驗裝置如圖5（a）所示。實驗結果表明，從原子介質中透射的探測光場不僅僅在強度分布上發(fā)生改變，而且其整體偏振也正交于泵浦光場的偏振狀態(tài)。即與泵浦光場偏振相同的探測光場分量會被各向異性的原子介質所吸收，而與泵浦光場偏振正交的部分則會無吸收地透過，該效應被稱為偏振依賴吸收?；谠咏橘|中的偏振依賴關系，可以在原子介質中利用泵浦探測技術模擬波片和偏振器組合，實現斯托克斯參量的測量［108］，實驗結果如圖5（b）所示。這種方法不同于利用偏振器件的測量方案，從原子介質中透射出的探測光場將保留所期望的偏振分布，這一點是無法直接在偏振器件中實現的。實驗結果如圖5（c）所示，利用這種基于原子介質的測量方法對矢量光場的偏振基矢進行提取時，不僅能夠保留基矢的螺旋相位，同時還能確保其SAM 不被破壞［109］。此外，空間各向異性還能夠應用于空間信息的有效篩選與過濾中，并且具有較高的消光比［110］，實驗結果如圖5（d）所示。

磁致旋光效應是利用磁場誘導原子介質產生各向異性，從而實現對光場偏振的調制［111］。當一束功率較強的線偏振光在原子介質中傳播時，在平行于光場的傳播方向上施加一縱向磁場，則光場偏振的方向將發(fā)生旋轉，旋轉角度與磁場強度以及相互作用長度成正比。同時，光場偏振的旋轉方向取決于原子介質的折射率與施加磁場的方向。具體而言，由于縱向磁場引起簡并塞曼子能級的能級劈裂，造成了原子介質對左右旋圓偏振分量隨光場頻率的非對稱吸收，同時也改變了左右旋圓偏振分量的折射率并引入相位差，最終導致線偏振光場的偏振方向改變。

2015年，中國科學技術大學史保森教授課題組利用矢量光場在87Rb 原子介質中實現了對縱向磁場的測量，并且提供了相應的理論描述［112］，實驗光路與結果如圖6（a）所示。實驗中所使用的矢量光場在空間分布上為不同偏振角度的線偏振，因此在與原子介質的相互作用中，可以分解為攜帶不同OAM 的左右旋圓偏振分量并分別與對應的原子塞曼子能級相互作用。由于空間整體的線偏振發(fā)生了相同角度的旋轉，在投影測量下相應的干涉圖案也會發(fā)生旋轉，最終實驗結果表明測量的精度為0.8 mG，有利于對弱磁場的有效檢測。2016年，LEVY U 等在85Rb 原子介質中探索了偏振分布更為復雜的混合矢量光場在磁場作用下的磁光效應［113］。實驗中不僅在激光頻率共振情況下對圓偏雙折射性進行了研究，同時也在激光頻率正負失諧處，研究了圓偏二向色性與圓偏雙折射性對矢量光場的共同作用，實驗原理與結果如圖6（b）所示。除此之外，本課題組也在87Rb 原子介質中利用磁光效應實現了對矢量光場的操控，特別是研究了動態(tài)磁場下實現矢量光場的快速調控［114］。相關實驗小組也利用其它堿金屬原子實現了原子光譜特性的探測以及原子極化的調制。2003年，ALHASAN A M 等利用雙色激光場耦合鈉原子并成功觀測到電磁誘導透明光譜，研究發(fā)現透射光譜位置不依賴于耦合場和信號場的強度［115］；2011年，PSRADHAN S 研究小組利用泵浦探測機制實現了銫原子吸收譜的觀測［116］；2017年，GOZZINI S 研究團隊基于鉀原子介質利用泵浦探測機制在Hanle 配置下實現了高對比度電磁誘導吸收，并且研究發(fā)現不同配置下，不同圓偏振光場將誘導不同的相干暗態(tài)或亮態(tài)［117］。除此之外，最近的理論工作也展現出原子介質在實現矢量光場調控中的優(yōu)勢，例如利用LG 模式在非線性磁光旋轉效應下產生可操控的矢量光場［118］，以及結合外部光場與磁場的共同作用從而實現對矢量光場偏振旋轉的多自由度操控［119］等。

3 基于相干效應的矢量光場調控與應用

原子介質與光場相互作用時，光場耦合不同能級形成的躍遷通道之間會產生量子干涉效應。干涉相長或者相消取決于外部光場的相位或頻率，導致原子表現出集體自旋的效果，此時的狀態(tài)被稱為原子自旋波，且具有相應的振幅和相位。其中最為人們熟知的量子干涉效應主要有電磁誘導透明（Electromagnetically Induced Transparency，EIT）［120］、受激絕熱拉曼轉換［121］、Hanle 效應［122］與空間EIT［123］，目前已經廣泛應用于光場的量子存儲［124］、高效粒子轉換［125］以及3D 磁場測量［126］等領域。然而，在利用光與原子相互作用的量子相干效應實現光場調控方面，多數研究小組通常采用單路經、單一偏振光場調節(jié)原子集體自旋進而達到調控光場的目的。當引入空間偏振非均勻的矢量光場時，便可以實現空間分布的原子自旋波。2006年，KARPA L 等在熱原子介質中通過加載縱向梯度磁場，利用電磁誘導透明效應制備原子自旋，檢索的信號光展示出微小偏移。該實驗驗證了電磁誘導透明機制中，具有非零磁矩的暗態(tài)極子的偏轉效應［127］。而后，部分學者通過多種物理系統(tǒng)驗證了原子集體自旋極化與電磁波相同的波動與干涉行為，為光場的相干調控與應用奠定了堅實的理論和實驗基礎。

原子自旋波的時空干涉最早可以追溯到ARLT J 等的相關工作簡報，他們利用相干脈沖激發(fā)里德堡原子，從而得到時域脈沖光場的干涉震蕩效應。2008年，肖艷紅教授課題組基于熱原子介質探索了原子自旋波的空間轉移特性［128］。實驗將空間兩路獨立電磁誘導透明配置光路置于同一銣原子池，其中一路僅有控制光存在，通過EIT 存儲機制后，在兩條路徑同時檢索到了信號光存儲信號。不僅如此，他們通過改變存儲信號光的相位，在兩路徑同時觀測到了相同的輸出干涉信號，該實驗直接驗證了原子自旋波空間轉移的可能性。2016年，肖艷紅教授研究團隊同樣通過搭建雙通路EIT 存儲驗證了基于熱原子介質由原子相干傳輸造成的反宇稱-時間對稱性［129］。實驗報告了在熱原子蒸汽池中，通過飛行原子的快速相干輸運導致兩個長壽命原子自旋波之間的耗散耦合，進而允許在相變閾值上觀測到反宇稱-時間對稱的基本特征。雖然上述工作均利用原子自旋波空間演化特性探索光場等的傳輸及演化特征，卻沒有有效利用結構光場在構建空間分布原子自旋波的優(yōu)越性。2015年，法國索邦大學LAURAT J 教授研究團隊在冷原子系綜中利用矢量光場構建雙路徑原子集體自旋，通過EIT 效應將矢量光場刻錄至原子自旋波進而實現矢量光場的高保真度存儲［130］，實驗裝置與結果如圖7（a）所示。2019年，史保森教授研究小組利用熱原子系綜，采用同樣配置驗證了矢量光場在熱原子介質構建空間分布原子自旋波的可能性［131］。值得注意的是，雖然LAURAT J 教授與史保森教授研究團隊分別基于原子介質完成了矢量光場構建空間分布原子自旋波的可行性，但是兩個方案均通過光束位移器將矢量光場投影至兩偏振基矢進行驗證。本實驗組也相繼開展利用矢量光場直接探索原子相干轉移的可能性。2019年，本團隊通過單束混合矢量光場直接觀測到量子相干增強［132］，該效應直接造成矢量光場的特異性透射分布如圖7（b）所示。實驗中，單束混合矢量光場直接經過加載了縱向磁場的銣原子泡，通過調節(jié)磁場大小以及方向，觀測到混合矢量光場特異性的透射強度分布。通過對透射光場的強度分析得到了光場在磁場零點附近的透射峰分布，實驗中通過搭建雙通路單一偏振光實驗驗證了這種由于原子橫向漂移造成的相干增強效應，并且該干涉效應隨著兩路光場分離距離的增加而減小。

矢量光場作為光子SAM 與OAM 耦合的光場模式，其在構造空間分布原子自旋波時扮演重要角色［133］。Hanle 效應指單一線偏振光場經過加載縱向磁場的原子介質時形成的一種自誘導透明現象。當磁場為零時，線偏振光場分解為左旋與右旋圓偏振基矢耦合原子不同基態(tài)與同一激發(fā)態(tài)，造成原子躍遷通道干涉相消，通過掃描磁場可直接觀測到Hanle 效應透射峰。然而，當磁場方向與光場偏振平行時，光場以原始偏振態(tài)耦合原子至相干暗態(tài)，造成光場透射增強；但是當磁場方向與光場偏振垂直時，光場依然以左右旋圓偏振分量耦合原子，從而難以形成空間暗態(tài)造成光場透射減弱，這種效應也被稱為空間EIT。

2006年，BARREIRO S 等在實驗中利用攜帶有不同OAM、偏振正交的兩光束觀測到了旋轉多普勒頻移，并且該頻移引起的光譜展寬隨著OAM 量子數的增大而不斷增加［133］。在該實驗方案中，研究人員利用馬赫-曾德爾干涉儀構建攜帶有不同OAM 的正交偏振光束疊加態(tài)，事實上該疊加態(tài)光束即為傳統(tǒng)意義上的矢量光場，這也是利用矢量光場與原子介質實現相干調控的應用。2015年，英國格拉斯哥大學Sonja 教授課題組基于冷原子系綜利用柱矢量光場觀測到了空間量子相干效應，該效應使得矢量光場與原子相互作用時展示了一種空間結構性的暗態(tài)極子分布［123］。該小組采用Q-plate 產生空間偏振任意分布的矢量光場，并利用該光場作為探測光直接穿過加載了橫向磁場的冷銣原子介質，通過調節(jié)磁場透射的矢量光場展示出了花瓣狀的強度分布，通過光場的花瓣形狀可以直觀地觀測到空間暗態(tài)極子的分布，如圖8（a）所示。2021年，該小組同樣利用矢量光場在冷原子介質演示了空間EIT 關于磁場測量的實驗方案［126］，在冷銣原子云中記錄結構性的原子自旋極化，并記錄由此產生的吸收模式的圖像，進而推導出外部磁場分布。這一效應主要將原子拉莫進動時間測量中的瞬態(tài)效應轉化至空間域，提出了利用矢量場探測磁場的新概念。2021年，本課題組將此效應擴展至熱原子系綜［134］。實驗裝置如圖8（b）所示，實驗采用Q-plate 產生徑向矢量光場直接注入加載了橫向和縱向磁場的熱銣原子泡，在縱向磁場調制下，矢量探測光僅僅展示了Hanle 吸收特性，即隨著縱向磁場的增加，透射光場的整體強度逐漸減弱。然而在橫向磁場調制下，光場偏振與磁場方向平行的部分透射增強，而光場偏振與磁場方向垂直的部分吸收增強。光場的強度分布表現為結構性的空間強度分布如圖8（b）所示，因而通過后場光場強度與強度位置分布可以直觀推斷出磁場的整體方向和大小，所以該實驗在一定程度上可以視為磁場可視化測量的初步研究方案。

4 矢量光場的頻率轉換與傳輸

隨著現代光學的迅速發(fā)展，矢量光場的應用范圍在逐步擴展，在基礎科學領域的研究深度也在增加。目前，矢量光場的產生和調控大多依靠線性光學器件實現，這類器件在偏振和空間模式上的調制受材料色散、光學損傷閾值以及波長覆蓋范圍的影響，使產生的矢量光場處于特定的波長范圍和輸出功率。近幾年，基于原子介質和晶體介質中的非線性頻率轉換過程與光子學、量子光學、集成光子學的結合產生了許多獨特的光學現象，結構光場的研究為非線性頻率轉換注入了新的活力，同時也進一步拓展了結構光場的應用范圍。比如結構光場的引入實現對諧波振幅、相位、偏振及頻譜等多自由度的調控。與集成光子學結合，在滿足器件小型化的同時，還可以極大地豐富光與物質的相互作用。在量子光學領域，通過非線性參量下轉換可以實現單光子源的產生和操控。關于矢量光場與晶體介質的非線性相互作用，國內外相關課題組分別進行了較為深入的探索與研究，例如史保森教授課題組［135］、上海交通大學陳險峰教授課題組［136-138］、廈門大學陳理想教授課題組［139-140］、哈爾濱理工大學朱智涵教授課題組［141-143］以及巴西KHOURY A Z 教授課題組［144-145］等。最近，王慧田教授課題組基于周期性極化磷酸鈦鉀（Periodically Poled Potassium Titanyl Phosphate，PPKTP）晶體實現了矢量光場的三倍頻轉換［146］，哈爾濱理工大學朱智涵教授課題組則基于PPKTP晶體實現了任意矢量光場共形的參量上轉換［147］，對實現基于矢量光場的量子通訊接口有重要的研究價值。相較于晶體介質，原子介質具有較強的原子相干特性、高效的非線性過程、可操控的吸收和色散特性，同樣是用于產生、傳輸和操控光束的理想媒介?；谠咏橘|既可以通過參量四波混頻過程產生不同波長范圍的光場，還可以通過原子克爾效應調控光場在介質中的折射率，從而達到調控其非線性傳輸的目的。接下來，本文將重點介紹近年來利用原子介質中參量多波混頻過程實現矢量光場非線性頻率及空間偏振模式轉換的相關工作進展。

2012年，WALKER G 等在理論與實驗上探索了銣原子介質中光場的OAM 跨光譜相干轉換的物理規(guī)律［148］。在雙光泵浦以及相位匹配的條件下，他們發(fā)現兩束近紅外光場所攜帶的OAM 均會轉換到由參量四波混頻產生的相干藍光上。此外，通過疊加態(tài)的相干激發(fā)，他們還證明了參量過程產生的信號光的空間模式并非入射光場強度上的簡單疊加產生，而是在相位匹配條件下由于相位相干導致量子干涉的結果。因此，該工作證明了基于堿金屬原子介質的四波混頻過程具有極強的原子相干特性，同時也為原子介質中矢量光場跨光譜的非線性頻率轉換提供了理論及實驗基礎。由于矢量光場可以表示為一對偏振正交且攜帶不同OAM 的基矢組成的疊加態(tài)，本課題組利用相位自穩(wěn)定的非線性Sagnac 干涉儀將入射的矢量光場態(tài)分解為水平和豎直且攜帶不同OAM 的兩個正交基矢態(tài)［149］，同時注入85Rb 蒸汽中參與自發(fā)四波混頻過程，在干涉儀的出射端口實現了矢量光場從近紅外波段到藍光波段的頻率轉換，實驗裝置與對應能級如圖9（a）和（b）所示。分布在高階龐加萊球赤道上且具有旋轉對稱性的自旋-軌道耦合（Spin-Orbital Coupling，SOC）態(tài)［150，151］以及高階矢量光場非線性頻率轉換的實驗結果如圖9（c）和（d）所示。引入偏振依賴的空間斯托克斯測量法［152］，重構探測光與信號光SOC 態(tài)的密度矩陣并計算，一階SOC 態(tài)的平均保真度可達99.04%，二階SOC 態(tài)的平均保真度為98.27%。這意味著在矢量光場頻率轉換過程中幾乎不改變光場原本的自旋-軌道耦合態(tài)，即產生的信號光場與入射的探測場在橫截面上的偏振態(tài)分布保持高度的一致性。除了自發(fā)四波過程實現矢量光場的非線性產生外，基于原子介質中的受激參量四波混頻過程（吸收兩個強耦合光子，產生一個信號光光子和一個共軛光光子）實現了弱信號矢量光場放大和相位共軛光場的產生［153］。此外，西北大學任兆玉教授課題組利用柱矢量光場對稱且豐富的偏振分布，在原子介質中實現了穩(wěn)定相位匹配條件以及單次掃描獲取偏振依賴響應的簡并多波混頻過程［154-155］。

與在自由空間中傳播不同，光場在非線性介質中的傳輸過程除了要考慮光場本身的衍射之外，還需要考慮由光與介質相互作用過程中導致的折射率變化，這種介質折射率的改變將引起光場傳輸的非線性特性，產生不同于自由空間傳播時的物理現象。例如，單模高斯型激光束在克爾介質中傳輸時，由于光場橫截面上強度分布不同，造成折射率沿徑向非均勻分布，導致激光束在這種克爾介質中傳輸時產生聚焦的過程，類似于激光經過透鏡的效果。該自聚焦過程與光場本身的衍射過程到達傳輸平衡態(tài)時，就會產生自陷效應［156］。空間光孤子［157］的形成就是在該穩(wěn)定的自陷效應下誘導激發(fā)。光束在非線性介質中傳輸時的分裂、成絲現象對于研究空間光孤子以及利用光絲進行激光加工等具有潛在的應用價值。

除了光場非均勻強度可以引起介質不同的非線性響應之外，不同偏振態(tài)的光場在非線性介質中傳輸時誘導產生的非線性效應也不相同。例如，在克爾介質中傳輸時，橢圓偏振光的兩個正交分量之間由于交叉相位調制將引入額外的非線性相移，導致出射場的偏振態(tài)發(fā)生改變［158］。橫截面上偏振非均勻分布的矢量光場在非線性介質中的傳播也會引起光場呈現出相應的非線性響應。王慧田教授課題組研究了矢量光場在透明克爾介質中傳輸時的非線性效應［159］，如圖10（a）～（c）所示。在不考慮介質吸收特性的非線性傳輸過程中，一階雜化偏振矢量光場在線偏振分布的位置處逐漸演化為穩(wěn)定C4l 旋轉對稱瓣狀結構，其中l(wèi)代表入射雜化矢量場的拓撲荷數。由于橫截面上不同的偏振態(tài)分布情況，雜化矢量場和柱矢量光場在是否引入隨機噪聲表現出不同的傳輸演化結果。2016年，BOUCHARD F 等發(fā)現相比于左右旋圓偏振入射的標量光束，空間偏振不均勻分布的柱矢量光場在飽和克爾介質中具有更穩(wěn)定的傳輸特性［160］，如圖11 所示。該現象是由于矢量光場兩個正交基矢之間存在交叉相位調制，抑制了光束在傳輸時分裂成絲的過程。這對于實現高功率激光在非線性介質中的穩(wěn)定傳輸具有重要意義。2018年，GIBSON C J 等基于原子介質中光場非線性傳輸時的交叉相位調制效應提出了一種全龐加萊球光場偏振態(tài)可控旋轉技術［161-162］，該技術的提出為矢量光場在光鑷、偏振成像等領域的應用提供了理論支撐。本課題組基于銣原子介質中的交叉相位調制效應，在實驗上觀察到雜化偏振矢量光場在非線性傳輸過程中偏振態(tài)旋轉的現象［163］，如圖12（a）所示。通過控制相應的實驗條件可以調節(jié)非線性作用的強弱，進而實現對偏振態(tài)的可控旋轉。此外，如圖12（b）所示，本課題組在實驗上利用傳輸過程的非線性效應以及吸收效應實現了光場空間模式的可控分裂［164］，基于交叉相位調制，雜化矢量光場在傳輸的初始階段先聚焦到線偏位置，隨著傳輸過程聚焦和吸收達到平衡狀態(tài)，光束呈現出環(huán)狀結構，該臨界狀態(tài)之后吸收效應占主，光束演化到圓偏位置。近期的部分工作表明具有矢量偏振分布的光場在原子介質中傳輸時可以有效抑制由非線性自相位調制引起的強度奇點現象［165］。該工作為光場在非線性介質中的穩(wěn)定傳輸提供了實驗依據。

5 總結與展望

近年來，矢量光場以其奇特的光場偏振、相位以及強度分布引起了學者們的廣泛關注。隨著矢量光場的發(fā)展，矢量光場與物質相互作用產生的新現象與新效應在量子通信、粒子操控、醫(yī)學等領域展示出巨大的應用潛力。本文回顧了基于原子介質的矢量光場調控，主要包括基于原子空間極化實現矢量光場的強度、偏振以及多參量聯合調控；利用原子相干效應實現矢量光場的相干調控以及應用；基于原子介質實現矢量光場的非線性傳輸與頻率轉換等相關研究。

未來關于矢量光場與原子介質相互作用研究的主要趨勢體現在幾個方面：1）目前大多數的研究都是利用柱對稱矢量光場來探索光與物質的相互作用，其他類型矢量光場的應用仍有待探索，例如時空矢量光場、陣列矢量光場和特殊空間分布的矢量光場等［166-169］；2）目前關于相互作用的研究僅僅涉及到較低激發(fā)態(tài)的原子和低階的極化率，探索矢量光場與高激發(fā)態(tài)原子的相互作用和對高階極化率的調控，對于原子物理的基礎研究和應用開發(fā)都具有重要的意義［170-172］；3）在非線性頻率轉換中，研究不同類型矢量光場高效率、高階數以及寬波長范圍的轉換是實現光互聯技術中量子接口的關鍵，例如中遠紅外、極紫外和太赫茲波段等［173，174］。總之，關于矢量光場與原子介質相互作用的研究正處于快速發(fā)展階段，矢量光場與原子介質作用中的新效應有望在未來科技發(fā)展中展現出重要的應用價值。