基于科研實踐能力培養的結構光學非互易實驗教學研究

王志平,朱 強,馬陽成,呂 亮,胡志家

(安徽大學 物理與光電工程學院,安徽 合肥 230601)

實驗課程作為大學生的必修課,是教學的重要組成部分。在培養學生的科研動手能力、數據處理能力等方面發揮著重要作用[1]。實驗教學也肩負著為國家培養有創新、有能力、有基礎的科研人才的重任[2]。一直以來,我國高等教育的目標都注重基礎知識和科研能力的培養[3]。為了應對當今科技的高速發展,滿足‘新工科’建設下的人才培養要求,人才培養模式也要相應突破與革新,實驗教學也要與最新的科研成果結合,要讓學生積累科研經驗,接觸到學科前沿知識,充分調動學生主動學習的興趣[4-7]。整個實驗中從非互易機理,效果評價,現象解釋等維度,展示了一種光學非互易裝置,對‘新學科’背景下光電信息工程專業的學生從事科學研究有著很強的示范與啟發作用。

光學非互易指的是光只能沿著正向傳播,不允許光反向傳播。法拉第磁光效應是典型的光學非互易效應[8]。但是,基于法拉第磁光效應實現的光學非互易存在兩個問題。一方面利用法拉第效應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的偏置磁場,對集成光路的敏感光電器件造成影響。為了擴大非互易器件的應用領域,我們提出了一種基于熱原子系統的無磁渦旋光學非互易傳輸方案[9]。其中渦旋光是一種攜帶軌道角動量(OAM)的特殊光束,它具有相位結構螺旋分布、中心光強始終為零的特點[10]。

1 實驗部分

1.1 三能級原子結構模型

考慮一個三能級V型原子結構,如圖1所示。它包括一個基態|1〉,兩個激發態|2〉和|3〉,分別對應銣-85D1和D2線超精細結構中|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 實驗裝置

該實驗裝置圖如圖2所示,由兩臺激光器分別產生泵浦光和信號光。調節光路,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。由于渦旋光的強度分布呈現圓環形狀,并隨拓撲核數的增大,圓環半徑越大,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為1=2,信號光由于鏡面反射等角向量子數變為l=-2。圖2 基于光泵效應的無磁渦旋光學非互易傳輸實驗室裝置圖

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,兩束光會進行合束。由于信號光是渦旋光,其角向量子數l=2,當發生反射,角量子數l=-2。因此,對于信號光反向傳輸經過螺旋相位片之后,還需要加一個反射鏡使角向量子數變為l=-2。根據動量守恒條件,得出四波混頻的最優相位匹配角度。使信號光和泵浦光產生1°左右的夾角,這樣濾去除信號光之外的干擾光。該實驗的設置參數為:螺旋相位片拓撲核數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

首先將信號光調成掃頻模式,如圖3所示,分析失諧量對信號光傳輸的影響,其中紅色曲線表示正向傳輸透過率,藍色曲線表示反向傳輸隔離度?？梢钥闯?當Δs處于±50 MHz范圍內,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,這是由于產生了多普勒效應,原子感應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之間的關系

2.2 泵浦光的強度對信號光透過率的影響

如圖4所示。當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。而當光功率增大到20～50 mW時,信號光正向傳輸的透過率變化相對較小,只有少許提升。產生這一現象的原因是泵浦光已經將銣-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。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,通過其與原子團產生的光泵效應的效率,進而可以改變正向透過率。因此,當泵浦光以一定強度穩定輸出時,可以產生高效率的非互易傳輸。并且,當泵浦光關閉時,信號光也可以反向傳輸,從非互易傳輸轉為互易傳輸。

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

這是因為氣體分子隨著溫度升高,導致原子與原子,原子與氣池內壁的碰撞變得頻繁,原子退相干加劇。而反向傳輸時,并不存在光泵效應,溫度并不影響反向隔離度?？梢缘贸?當銣-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 論

本實驗的光學非互易裝置與學生熟悉的法拉第磁光效應不同,采用了熱原子系統下無磁光學非互易方案。熟悉的功能,卻是新結構和原理,是已知的知識的衍生拓展,為今后學生科研創新展示一種思路。在完成光路的搭建之后,分析影響信號光正向和反向傳輸的透過率和隔離度。分析了失諧,功率,溫度對信號光傳輸的影響,對數據進行擬合,原因進行解釋。裝置總體上非互易性能較好,為今后光學非互易的實現控制有著參考作用,并在對學生科研思維和動手能力的培養有著一定的啟發與鍛煉作用。