基于科研實(shí)踐能力培養(yǎng)的結(jié)構(gòu)光學(xué)非互易實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

王志平,朱 強(qiáng),馬陽成,呂 亮,胡志家

(安徽大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

實(shí)驗(yàn)課程作為大學(xué)生的必修課,是教學(xué)的重要組成部分。在培養(yǎng)學(xué)生的科研動手能力、數(shù)據(jù)處理能力等方面發(fā)揮著重要作用[1]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)也肩負(fù)著為國家培養(yǎng)有創(chuàng)新、有能力、有基礎(chǔ)的科研人才的重任[2]。一直以來,我國高等教育的目標(biāo)都注重基礎(chǔ)知識和科研能力的培養(yǎng)[3]。為了應(yīng)對當(dāng)今科技的高速發(fā)展,滿足‘新工科’建設(shè)下的人才培養(yǎng)要求,人才培養(yǎng)模式也要相應(yīng)突破與革新,實(shí)驗(yàn)教學(xué)也要與最新的科研成果結(jié)合,要讓學(xué)生積累科研經(jīng)驗(yàn),接觸到學(xué)科前沿知識,充分調(diào)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣[4-7]。整個實(shí)驗(yàn)中從非互易機(jī)理,效果評價,現(xiàn)象解釋等維度,展示了一種光學(xué)非互易裝置,對‘新學(xué)科’背景下光電信息工程專業(yè)的學(xué)生從事科學(xué)研究有著很強(qiáng)的示范與啟發(fā)作用。

光學(xué)非互易指的是光只能沿著正向傳播,不允許光反向傳播。法拉第磁光效應(yīng)是典型的光學(xué)非互易效應(yīng)[8]。但是,基于法拉第磁光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的光學(xué)非互易存在兩個問題。一方面利用法拉第效應(yīng)需要搭配體積較大磁性晶體使用,這不利于集成光路;另一方面磁性晶體會形成較強(qiáng)的偏置磁場,對集成光路的敏感光電器件造成影響。為了擴(kuò)大非互易器件的應(yīng)用領(lǐng)域,我們提出了一種基于熱原子系統(tǒng)的無磁渦旋光學(xué)非互易傳輸方案[9]。其中渦旋光是一種攜帶軌道角動量(OAM)的特殊光束,它具有相位結(jié)構(gòu)螺旋分布、中心光強(qiáng)始終為零的特點(diǎn)[10]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 三能級原子結(jié)構(gòu)模型

考慮一個三能級V型原子結(jié)構(gòu),如圖1所示。它包括一個基態(tài)|1〉,兩個激發(fā)態(tài)|2〉和|3〉,分別對應(yīng)銣-85D1和D2線超精細(xì)結(jié)構(gòu)中|5S1/2,F=2〉,|5S1/2,F=4〉,|5P1/2,F=5〉。信號光用來耦合|1〉?|3〉能級的躍遷,泵浦光耦合|1〉?|2〉之間能級躍遷,其中信號光為渦旋光。

左圖表示信號光和泵浦同向傳輸原子分布示意圖,右圖表示信號光和泵浦光反向傳輸原子分布示意圖圖1 能級圖

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

該實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖2所示,由兩臺激光器分別產(chǎn)生泵浦光和信號光。調(diào)節(jié)光路,使信號光和泵浦光入射到銣-85原子蒸汽氣池中,并對信號光正向和反向傳輸情況進(jìn)行探測。這里使用螺旋相位片讓信號光變成渦旋光。由于渦旋光的強(qiáng)度分布呈現(xiàn)圓環(huán)形狀,并隨拓?fù)浜藬?shù)的增大,圓環(huán)半徑越大,使得信號光與泵浦光作用效果減弱。對此,利用透鏡,如圖2所示,便可以將信號光聚焦在原子蒸汽池的中心,使得在銣-85原子蒸汽池中的信號光完全被泵浦光包裹,并與銣-85原子團(tuán)充分作用。

Signal(780 nm):信號光(波長為780 nm),Pump(795 nm):泵浦光(波長為795 nm),HI=1,2,3):二分之一波片,QI(i=1,2):四分之一波片,PBS(=1,2):偏振分束器,VPP:螺旋相位片,LI(i=1,2):平透鏡,Rb:銣-85原子系綜。其中信號光正向傳輸時角向量子數(shù)為1=2,信號光由于鏡面反射等角向量子數(shù)變?yōu)閘=-2。圖2 基于光泵效應(yīng)的無磁渦旋光學(xué)非互易傳輸實(shí)驗(yàn)室裝置圖

在圖2中,對于正向傳輸來說,由于信號光和泵浦光偏振正交,通過偏振分束器PBS1之后,兩束光會進(jìn)行合束。由于信號光是渦旋光,其角向量子數(shù)l=2,當(dāng)發(fā)生反射,角量子數(shù)l=-2。因此,對于信號光反向傳輸經(jīng)過螺旋相位片之后,還需要加一個反射鏡使角向量子數(shù)變?yōu)閘=-2。根據(jù)動量守恒條件,得出四波混頻的最優(yōu)相位匹配角度。使信號光和泵浦光產(chǎn)生1°左右的夾角,這樣濾去除信號光之外的干擾光。該實(shí)驗(yàn)的設(shè)置參數(shù)為:螺旋相位片拓?fù)浜藬?shù)l=2,泵浦光的光束直徑為0.8 mm,銣-85原子蒸汽氣池為55 ℃

2 結(jié)果與討論

2.1 信號光的失諧Δs對透過率的影響

首先將信號光調(diào)成掃頻模式,如圖3所示,分析失諧量對信號光傳輸?shù)挠绊?其中紅色曲線表示正向傳輸透過率,藍(lán)色曲線表示反向傳輸隔離度?？梢钥闯?當(dāng)Δs處于±50 MHz范圍內(nèi),信號光可以正向透過,并且信號光失諧Δ=0時,正向傳輸透過率最大,約為86%。而信號光反向傳輸時,改變失諧量Δs,并不會影響隔離度,這是由于產(chǎn)生了多普勒效應(yīng),原子感應(yīng)信號光和泵浦光的頻率有頻率差,使泵浦光無法將銣-85原子泵浦到能級4上,信號光被銣-85原子吸收,最終無法穿過銣-85原子蒸汽池,產(chǎn)生反向隔離的效果。

Δs/MHz圖3 正向和反向傳輸下信號光透過率與信號光的失諧Δs之間的關(guān)系

2.2 泵浦光的強(qiáng)度對信號光透過率的影響

如圖4所示。當(dāng)泵浦光的光功率低于15 mW時,隨著泵浦光功率的增大,信號光的正向傳輸透過率隨之增大。而當(dāng)光功率增大到20～50 mW時,信號光正向傳輸?shù)耐高^率變化相對較小,只有少許提升。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是泵浦光已經(jīng)將銣-85原子極化到最大的耦合效率。即使再增加泵浦光的光功率,泵浦光和銣-85原子的作用也不會增強(qiáng)。由圖4同樣可以看出,泵浦光的光功率并不影響信號光反向傳輸時的隔離度。

Ip/mW(a) 正向和反向傳輸效率

總的來說,改變泵浦光的功率,通過其與原子團(tuán)產(chǎn)生的光泵效應(yīng)的效率,進(jìn)而可以改變正向透過率。因此,當(dāng)泵浦光以一定強(qiáng)度穩(wěn)定輸出時,可以產(chǎn)生高效率的非互易傳輸。并且,當(dāng)泵浦光關(guān)閉時,信號光也可以反向傳輸,從非互易傳輸轉(zhuǎn)為互易傳輸。

2.3 原子蒸汽池的溫度對信號光傳輸透過率的影響

如圖5所示。隨著原子蒸汽池的溫度逐漸由55 ℃加熱至75 ℃,信號光的正向傳輸透過率卻隨之下降。

Ip/mW(a) 正向和反向傳輸效率

這是因?yàn)闅怏w分子隨著溫度升高,導(dǎo)致原子與原子,原子與氣池內(nèi)壁的碰撞變得頻繁,原子退相干加劇。而反向傳輸時,并不存在光泵效應(yīng),溫度并不影響反向隔離度?？梢缘贸?當(dāng)銣-85原子氣池的溫度過高時,裝置的非互易傳輸性能會受到影響。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)的光學(xué)非互易裝置與學(xué)生熟悉的法拉第磁光效應(yīng)不同,采用了熱原子系統(tǒng)下無磁光學(xué)非互易方案。熟悉的功能,卻是新結(jié)構(gòu)和原理,是已知的知識的衍生拓展,為今后學(xué)生科研創(chuàng)新展示一種思路。在完成光路的搭建之后,分析影響信號光正向和反向傳輸?shù)耐高^率和隔離度。分析了失諧,功率,溫度對信號光傳輸?shù)挠绊?對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,原因進(jìn)行解釋。裝置總體上非互易性能較好,為今后光學(xué)非互易的實(shí)現(xiàn)控制有著參考作用,并在對學(xué)生科研思維和動手能力的培養(yǎng)有著一定的啟發(fā)與鍛煉作用。