渦旋光在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的探究

王志平 吳偉 宋飛 王雨龍 王雨杭 王浩

摘 要 渦旋光具有獨(dú)特的強(qiáng)度和螺旋相位結(jié)構(gòu)而備受人們的關(guān)注。基于渦旋光與銣原子相互作用，本文研究分析了入射光的頻率、拓?fù)浜藬?shù)以及偏振狀態(tài)等參量渦旋光束輪廓和能量分布的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這些參量可以實(shí)現(xiàn)對(duì)渦旋光空間分布的有效調(diào)制。我們的實(shí)驗(yàn)探索能讓大學(xué)生對(duì)渦旋光有更深的理解，拓展他們的眼界。本實(shí)驗(yàn)研究也將在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面具有潛在的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 渦旋光;螺旋相位板;大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)

渦旋光束[1]是一種攜帶軌道角動(dòng)量（OAM）的光束，相位結(jié)構(gòu)呈螺旋分布，在傳播過(guò)中，中心光強(qiáng)始終保持為零，同時(shí)光束中心相位不確定，具有相位奇點(diǎn)[2]。正因?yàn)闇u旋光束空間上特殊的性質(zhì)，使得其在光通訊[3]、光學(xué)精密測(cè)量[4]、光學(xué)捕獲、光學(xué)旋轉(zhuǎn)以及量子通信等領(lǐng)域具有很高的研究?jī)r(jià)值[5]。

近些年來(lái)，渦旋光束與粒子的相互作用成為人們關(guān)注的研究熱點(diǎn)之一。由于渦旋光攜帶有軌道角動(dòng)量，故可以利用軌道角動(dòng)量把粒子囚禁在光束的中心從而實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子的精確操控和移動(dòng)。

當(dāng)一束聚焦的OAM 光照射到粒子上，粒子會(huì)吸收光子和轉(zhuǎn)移OAM，OAM 的轉(zhuǎn)移使粒子獲得了一個(gè)扭矩從而使粒子圍繞某個(gè)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，一般稱為光學(xué)扳手。所以可以利用渦旋光束作為光學(xué)鑷子[6]或者光學(xué)扳手[7]來(lái)操縱粒子。近來(lái)，渦旋光與熱原子相互作用方面也引起人們的關(guān)注。如西安交通大學(xué)張彥鵬小組研究了光子帶隙結(jié)構(gòu)中攜帶軌道角動(dòng)量的渦旋六波混頻現(xiàn)象[8]，通過(guò)改變耦合場(chǎng)的功率得到了混頻場(chǎng)通過(guò)熱銣原子蒸汽后的干涉圖樣，并分析了其傳播特性。李福利小組研究了矢量渦旋光在銣原子蒸汽中的透射特性[9]，觀察到與銣原子相互作用之后產(chǎn)生了四瓣圖案，并用量子相干性很好地解釋了該現(xiàn)象。此外他們還研究了混合階矢量渦旋光在銣原子蒸汽中的極化旋轉(zhuǎn)問(wèn)題[10]，利用銣原子蒸汽中傳輸?shù)姆蔷€性效應(yīng)解釋了混合階矢量渦旋光在自由空間中傳輸時(shí)極化旋轉(zhuǎn)受限制的問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)了混合階矢量渦旋光通過(guò)銣原子蒸汽時(shí)的極化分布調(diào)制。在上述工作的基礎(chǔ)之上，本文利用Sagnac環(huán)路制備了具有等量異號(hào)拓?fù)浜藬?shù)的疊加態(tài)渦旋光，經(jīng)過(guò)與熱85Rb原子發(fā)生相互作用后，研究分析拓?fù)浜藬?shù)、入射光頻率以及偏振狀態(tài)等參量對(duì)渦旋能量分布和光束輪廓的影響。該實(shí)驗(yàn)探索不僅能讓大學(xué)生對(duì)渦旋光有更深的理解，也有助于他們實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，獨(dú)立學(xué)習(xí)能力，團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力以及創(chuàng)新思維能力的提升。

1 主要實(shí)驗(yàn)儀器

1.1 螺旋相位板

螺旋相位板是厚度相對(duì)中心旋轉(zhuǎn)方位角成比例變化的透明板。當(dāng)波束通過(guò)這個(gè)相位板時(shí)，由于相位板的螺旋面結(jié)構(gòu)導(dǎo)致透射光束的光程差不同，引起相位的改變量也不同，從而產(chǎn)生一個(gè)具有螺旋相位的因子。讓光通過(guò)螺旋相位板不同的區(qū)域可以得到不同拓?fù)浜藬?shù)的渦旋光。

1.2 激光器

在實(shí)驗(yàn)中采用Toptica公司生產(chǎn)的DL100型外腔式可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器激光器，主要由驅(qū)動(dòng)電路、激光二極管以及光柵組成。激光二極管可以輸出連續(xù)的窄線寬激光，通過(guò)調(diào)整光柵的角度可以微調(diào)波長(zhǎng)和掃描。在實(shí)驗(yàn)中激光器的工作波長(zhǎng)為780nm。

1.3 相機(jī)式光束質(zhì)量分析儀

Thorlabs相機(jī)式光束質(zhì)量分析儀（CCD）用于光束密度分布二維分析，其分辨率為1360×1024像素，低噪聲：S/N≥62dB，最短曝光時(shí)間20μs。

2 實(shí)驗(yàn)搭建

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。利用螺旋相位板產(chǎn)生渦旋光束，通過(guò)Sagnac干涉儀制備初始軌道角動(dòng)量和偏振的疊加態(tài)。

先搭建飽和吸收譜光路以確保能找到85Rb原子的共振頻率。其原理主要是利用光學(xué)燒孔效應(yīng)，由此我們可以得到介質(zhì)原子能級(jí)的超精細(xì)結(jié)構(gòu)。需要注意的是在圖1中沒(méi)有畫(huà)出飽和吸收光譜的光路，而是用激光器來(lái)代替通過(guò)飽和吸收光譜后產(chǎn)生的激光。

激光通過(guò)四分之一波片和二分之一波片后傳輸?shù)狡穹止饫忡R（PBS），被分為水平偏振光和垂直偏振光兩束光，其中二分之一波片和偏振分光棱鏡的組合可以用來(lái)改變?nèi)肷涔獾墓β?直接透過(guò)的是水平偏振光，透過(guò)螺旋相位板后被反射鏡反射兩次;被反射的是垂直偏振光，透過(guò)螺旋相位板后被反射鏡反射一次;由于被反射鏡反射一次后會(huì)使拓?fù)浜藬?shù)l 變成-l，所以從環(huán)路出來(lái)的光具有等量異號(hào)的拓?fù)浜藬?shù)。接著被反射鏡反射后通過(guò)四分之一波片進(jìn)入Rb原子氣室中，Rb原子氣室連接有溫控系統(tǒng)方便控制原子氣室的溫度。入射光在原子氣室內(nèi)與85Rb原子發(fā)生相互作用，最后經(jīng)過(guò)熱原子輸出的渦旋光通過(guò)光束質(zhì)量分析儀（CCD）接入電腦中觀察渦旋光的光束輪廓和能量分布。

為了更好地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要注意當(dāng)光入射到偏振分光棱鏡時(shí)要用光功率計(jì)測(cè)量功率，以保證被分開(kāi)的水平偏振光和垂直偏振光的強(qiáng)度之比為1∶1。螺旋相位板的位置要保證從螺旋相位板的兩邊到偏振分光棱鏡（PBS）的光程相等，以便在光束質(zhì)量分析儀（CCD）中能觀察到更詳細(xì)的光束輪廓和更清晰的功率密度分布。為此我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)一個(gè)直角梯形環(huán)路，在此環(huán)路中兩條短的直角邊之間的長(zhǎng)度加起來(lái)等于第三條直角邊的長(zhǎng)度，然后把螺旋相位片放在直角梯形斜邊的中點(diǎn)位置，這樣就能確保經(jīng)過(guò)螺旋相位片的兩束光的光程相等。

3 渦旋光的產(chǎn)生

實(shí)驗(yàn)中采用85Rb的D2 線（52S1/2→52P3/2）其躍遷頻率為384.230406THz，激光器工作波長(zhǎng)約為780.241nm?？刂迫肷涔獾墓β蕿?mW，原子氣室的溫度控制在60℃。分別調(diào)節(jié)入射光的頻率為384.22912THz和384.23215THz，讓光通過(guò)螺旋相位板不同的區(qū)域以便得到不同拓?fù)浜藬?shù)的疊加渦旋光，通過(guò)CCD觀察與銣原子相互作用后的出射光的光束輪廓和能量分布，如圖2所示。

入射光頻率為384.22912THz，拓?fù)浜藬?shù)l=1時(shí)得到的圖像如圖2中（a）圖所示，入射的原高斯光束變成四片對(duì)稱的花瓣?duì)罟獍?，光束中心光?qiáng)為零。當(dāng)l=2、l=3、l=4時(shí)，分別對(duì)應(yīng)圖2中的圖2（b）～（d）?？梢钥闯?，隨著拓?fù)浜藬?shù)l 的增加，所觀察到的圖樣的瓣數(shù)也隨之增加，能量分布也隨之不均勻。瓣?duì)顖D樣的數(shù)量n 與拓?fù)浜藬?shù)滿足n=2|l1-l2|的關(guān)系，其中l(wèi)1 和l2 分別是經(jīng)過(guò)偏振分光棱鏡分束后的兩束光所帶的拓?fù)浜藬?shù)。

入射光頻率為384.23215THz時(shí)，拓?fù)浜藬?shù)分別為l=1、l=2、l=3、l=4 所得到的圖像對(duì)應(yīng)于圖2（e）～（h）。與上面類似，隨著拓?fù)浜藬?shù)l 的增加，所形成的渦旋光的瓣數(shù)也隨之增加，瓣?duì)顖D樣的數(shù)量依舊滿足n=2|l1-l2|的關(guān)系。與入射光頻率為384.22912THz時(shí)相比，入射光頻率在384.23215THz時(shí)與銣原子相互作用之后的出射光能量更強(qiáng)，說(shuō)明頻率會(huì)影響與銣原子相互作用后的出射光的能量。

以上研究的都是頻率對(duì)水平偏振和垂直偏振疊加態(tài)渦旋光與銣原子相互作用的影響，為了進(jìn)一步的了解偏振狀態(tài)對(duì)所產(chǎn)生的光斑的影響，我們?cè)谏厦娴膶?shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，在光束質(zhì)量分析儀（CCD）之前加上一個(gè)偏振分光棱鏡（PBS），由于偏振分光棱鏡允許水平偏振光透過(guò)而反射垂直偏振光，故可以通過(guò)光束質(zhì)量分析儀觀察到單一的水平偏振和垂直偏振。

同樣分別將頻率調(diào)至384.230406THz 和384.23215THz，調(diào)整螺旋相位板的位置使得拓?fù)浜藬?shù)l=4，控制入射光功率為5mW，原子氣室溫度為60℃，通過(guò)光束質(zhì)量分析儀（CCD）觀察到出射光的光束輪廓和光束能量密度分布如圖3所示。

如圖3所示，圖3（a）、（b）、（c）是在入射光頻率為384.22912THz下得到的出射光光束輪廓和能量分布;圖3（d）、（e）、（f）是在入射光頻率為384.23215THz下得到的出射光光束輪廓和能量分布。從圖中可以清晰地看到水平偏振狀態(tài)下和垂直偏振狀態(tài)下都是標(biāo)準(zhǔn)的圓環(huán)狀，但是等量異號(hào)拓?fù)浜藬?shù)的渦旋光疊加后變成花瓣?duì)畹墓獍?，這是由于水平偏振光和垂直偏振光疊加后再與熱85Rb原子發(fā)生相互作用，導(dǎo)致光束輪廓變化和光束能量的重新分布。圖3（d）與圖3（a）相比能量分布更均勻，說(shuō)明入射光頻率對(duì)與銣原子相互作用后的出射光的能量分布有一定的影響。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)中我們利用螺旋相位板產(chǎn)生渦旋光，并使用Sagnac干涉儀制備初始疊加態(tài)，研究了不同頻率、不同拓?fù)浜藬?shù)的情況下的渦旋光與熱原子相互作用之后的光束輪廓和能量分布情況，并分析了不同偏振狀態(tài)對(duì)光束能量和光束輪廓的影響。結(jié)果表明，在控制激光功率、原子氣室溫度以及頻率一定的條件下，與銣原子相互作用之后的出射光的輪廓會(huì)變成花瓣?duì)?，且瓣?shù)會(huì)隨著拓?fù)浜藬?shù)的增加而增加，其瓣?duì)罟獍叩臄?shù)量滿足n=2|l1-l2|的關(guān)系，其中l(wèi)1 和l2 分別是經(jīng)過(guò)螺旋相位板后兩束光所帶的拓?fù)浜藬?shù)。85Rb的D2 線具有超精細(xì)的能級(jí)結(jié)構(gòu)，入射光的頻率不同會(huì)導(dǎo)致原子躍遷能級(jí)的改變，這會(huì)影響原子對(duì)入射光束的吸收，進(jìn)而導(dǎo)致能量分布不均勻，所以當(dāng)改變?nèi)肷涔忸l率時(shí)，相應(yīng)的能量分布也會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)只有水平偏振或者垂直偏振時(shí)，其光束輪廓為標(biāo)準(zhǔn)的圓環(huán)狀，能量分布也較為均勻。當(dāng)兩束具有等量異號(hào)拓?fù)浜藬?shù)的渦旋光疊加時(shí)，由于疊加后的渦旋光與熱85Rb原子相互作用，導(dǎo)致疊加的渦旋光輪廓變?yōu)榛ò隊(duì)?，同時(shí)引起其能量的重新分布。基于渦旋光特殊的能量和相位結(jié)構(gòu)，相信其在光信息處理、光通信和量子信息等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景[11，12]。

5 渦旋光在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的探究

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是一門重要的基礎(chǔ)課程，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新實(shí)踐能力有著無(wú)可替代的作用，更為后續(xù)課程培養(yǎng)正確的學(xué)習(xí)態(tài)度奠定基礎(chǔ)。依托省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，已有3名本科生（王雨龍，王雨杭，王浩）參與到本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中來(lái)。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)的探索，他們從開(kāi)始實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器不熟悉，基礎(chǔ)光路的搭建有困難，到實(shí)驗(yàn)完成時(shí)已經(jīng)可以熟練使用各種實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備，獨(dú)立完成光路搭建，實(shí)踐動(dòng)手能力得到了極大地提高。從實(shí)驗(yàn)選題到實(shí)驗(yàn)搭建、方案改進(jìn)、處理數(shù)據(jù)的過(guò)程中，他們?cè)讵?dú)立學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力以及創(chuàng)新思維能力方面更是有顯著的提升。此外，這次實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究有效完善了對(duì)渦旋光的認(rèn)知，彌補(bǔ)了理論教學(xué)過(guò)于固化的被動(dòng)式學(xué)習(xí)，轉(zhuǎn)變了他們對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的態(tài)度，變被動(dòng)接受為主動(dòng)探索，使實(shí)驗(yàn)過(guò)程從機(jī)械性的簡(jiǎn)單重復(fù)走向更深層次的理解，有效提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。本文只是渦旋光在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究中的一個(gè)初步探索，相信其會(huì)在未來(lái)大學(xué)物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有更廣泛的應(yīng)用空間。

6 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，依托國(guó)家一流學(xué)科建設(shè)的推進(jìn)，安徽大學(xué)在光學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)場(chǎng)地、專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)模及專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備等方面都有很大的改觀。通過(guò)相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)研究在未來(lái)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的探索和應(yīng)用，將有助于激發(fā)本科生的學(xué)習(xí)興趣，提升他們對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的認(rèn)識(shí)和使用能力，增強(qiáng)同學(xué)們對(duì)渦旋光的理解。

參 考 文 獻(xiàn)

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