前 言

由中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)基礎(chǔ)光學(xué)專業(yè)委員會(huì)與中國(guó)物理學(xué)會(huì)光物理專業(yè)委員會(huì)共同主辦、東北師范大學(xué)承辦的“第十九屆全國(guó)基礎(chǔ)光學(xué)與光物理學(xué)術(shù)討論會(huì)”于2020 年12 月19-21 日在吉林長(zhǎng)春舉行。中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)龔旗煌院士參加會(huì)議并致開幕辭,會(huì)議吸引了來(lái)自國(guó)內(nèi)大專院校、科研院所、科技期刊等30 多個(gè)單位的150 余位專家學(xué)者和研究生代表。研討會(huì)上共有口頭報(bào)告和墻報(bào)近80 個(gè),其中包括5 個(gè)大會(huì)邀請(qǐng)報(bào)告和26 個(gè)分會(huì)邀請(qǐng)報(bào)告,充分展示了國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)光學(xué)領(lǐng)域的最新進(jìn)展和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。這里報(bào)道的是提交大會(huì)的部分報(bào)告的摘要。

自發(fā)對(duì)稱性破缺微腔激光

曹啟韜, 肖云峰

(北京大學(xué)物理學(xué)院, 北京 100871)

高性能的相干光源是基礎(chǔ)光物理研究和集成光子學(xué)應(yīng)用的關(guān)鍵之一。近年來(lái),具有超高品質(zhì)因子的回音壁微腔已經(jīng)成為研究各種新型高效光源的重要平臺(tái)。然而,其存在的固有手征對(duì)稱性導(dǎo)致腔中激光場(chǎng)通常是等強(qiáng)度相向傳輸?shù)?嚴(yán)重阻礙了諸多光子學(xué)器件應(yīng)用的發(fā)展。

為此,我們將之前工作中證明的微腔光場(chǎng)自發(fā)對(duì)稱破缺機(jī)制引入到增益微腔,實(shí)現(xiàn)了方向可重構(gòu)的自發(fā)手征對(duì)稱破缺拉曼激光。首先在完全對(duì)稱的回音壁微腔系統(tǒng)中獲得低閾值拉曼激光。在光學(xué)克爾效應(yīng)的作用下,當(dāng)滿足特定相位的拉曼激光場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到破缺閾值時(shí),拉曼激光場(chǎng)的手征對(duì)稱態(tài)發(fā)生失穩(wěn),光場(chǎng)會(huì)自發(fā)地進(jìn)入順時(shí)針或逆時(shí)針單向傳輸?shù)氖终鳡顟B(tài);實(shí)驗(yàn)獲得的兩個(gè)方向激光強(qiáng)度之比可超過160:1。進(jìn)一步通過控制雙向泵浦光強(qiáng)度比例實(shí)現(xiàn)了自發(fā)手征激光方向性的動(dòng)態(tài)切換。這種自發(fā)對(duì)稱破缺激光同時(shí)結(jié)合了激光增益動(dòng)力學(xué)和自發(fā)對(duì)稱破缺機(jī)制,為方向可重構(gòu)的微腔相干光源提供了新方案,并且可以進(jìn)一步拓展到其他材料和不同的激光過程中。

拓?fù)涔庾泳w微腔中的Purcell效應(yīng)與低閾值激光

許秀來(lái)

( 中國(guó)科學(xué)院物理研究所, 北京 100190)

拓?fù)涔鈱W(xué)由于具有對(duì)微擾、缺陷等的魯棒性得到了廣泛的關(guān)注和研究,并在單向波導(dǎo)和拓?fù)浼す獾确矫婢哂袧撛诘膽?yīng)用前景。在高階拓?fù)浣^緣體上存在的零維拓?fù)浣菓B(tài)為縮小拓?fù)涔鈱W(xué)的應(yīng)用尺寸提供了可能,對(duì)納米尺度的拓?fù)涔鈱W(xué)器件發(fā)展具有重要意義。同時(shí)這種拓?fù)浣菓B(tài)也為研究腔量子電動(dòng)力學(xué)提供了一個(gè)新的平臺(tái)。

我們利用二階拓?fù)涔庾泳w上的拓?fù)浣菓B(tài)實(shí)現(xiàn)了低閾值的拓?fù)浼す?并通過與單量子點(diǎn)集成實(shí)現(xiàn)了單量子點(diǎn)與拓?fù)浣菓B(tài)的弱耦合?；谕?fù)浣菓B(tài)設(shè)計(jì)并優(yōu)化了二維拓?fù)涔庾泳w微腔,它具有高品質(zhì)因子和低模式體積。在實(shí)驗(yàn)上,一方面利用具有高點(diǎn)密度的量子點(diǎn)作為增益,實(shí)現(xiàn)了低閾值的拓?fù)浼す?其閾值約為1 μW,比目前利用拓?fù)溥吔鐟B(tài)的拓?fù)浼す庑? 個(gè)數(shù)量級(jí),為納米拓?fù)涔鈱W(xué)器件的發(fā)展和片上集成奠定了基礎(chǔ)。另一方面,將拓?fù)湮⑶慌c低點(diǎn)密度的量子點(diǎn)集成,觀測(cè)到單量子點(diǎn)共振時(shí)熒光強(qiáng)度增強(qiáng)了約4 倍,同時(shí)通過測(cè)量熒光壽命觀測(cè)到了自發(fā)輻射速率約1.3 倍的增強(qiáng),從而證實(shí)了單量子點(diǎn)與拓?fù)浣菓B(tài)的弱耦合,為研究拓?fù)淞孔庸鈱W(xué)界面打下了基礎(chǔ)。

混沌光學(xué)微腔動(dòng)力學(xué)研究

陳立坤, 肖云峰

(北京大學(xué), 北京 100871)

光學(xué)微腔可以將光子長(zhǎng)時(shí)間局域在很小的空間內(nèi),極大地增強(qiáng)了光和物質(zhì)的相互作用,是光物理基礎(chǔ)與前沿應(yīng)用的重要平臺(tái)之一,已被廣泛應(yīng)用于弱光非線性、強(qiáng)耦合腔量子電動(dòng)力學(xué)和光聲相互作用等物理過程,以及微納尺度激光、高靈敏生化傳感和精密測(cè)量等應(yīng)用研究。近年來(lái),非對(duì)稱光學(xué)微腔通過打破傳統(tǒng)回音壁微腔的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性,獲得了混沌光場(chǎng),為操控光子行為提供了新的途徑,成為研究混沌和非厄密動(dòng)力學(xué)的重要工具?；煦缥⑶恢泄庾虞斶\(yùn)具有豐富的動(dòng)力學(xué)行為,以混沌輔助隧穿和共振輔助隧穿為代表引起了廣泛的理論研究,但一直以來(lái)缺乏實(shí)驗(yàn)上的實(shí)驗(yàn)探測(cè)。

本工作利用射線模型和波動(dòng)仿真揭示了光場(chǎng)在混沌微腔中存在著兩個(gè)絕然不同且對(duì)初值極其敏感的演化路徑。進(jìn)一步的研究表明,根據(jù)位置-角動(dòng)量相空間具體結(jié)構(gòu)的不同,光子在微腔中可以沿著混沌動(dòng)力學(xué)和規(guī)則-混沌動(dòng)力學(xué)兩條路徑或者純混沌和流型調(diào)控兩條路徑,由波導(dǎo)模式演化為高品質(zhì)因子回音壁模式。其中,動(dòng)力學(xué)隧穿過程連接了相空間中的不同結(jié)構(gòu),為模式間耦合提供了物理通道。在實(shí)驗(yàn)中,通過微腔-光纖耦合體系中巧妙的改變?nèi)肷涔鈭?chǎng)的角動(dòng)量和空間角方位,精確調(diào)控了相空間中的激發(fā)初態(tài),使得光場(chǎng)可以分別在混沌區(qū)域和規(guī)則區(qū)域中被激發(fā)。同時(shí)利用測(cè)量透射譜的變化并統(tǒng)計(jì)模式耦合效率的規(guī)律,揭示出不同演化路徑的顯著差異,證明了混沌光場(chǎng)演化過程會(huì)受規(guī)則模式的調(diào)控,與理論上預(yù)測(cè)一致。

基于單個(gè)光學(xué)微腔中頻率維度上的反PT對(duì)稱系統(tǒng)

萬(wàn)文杰, 張方醒

(上海交通大學(xué), 上海 200230)

近年來(lái),尤其是當(dāng)人們意識(shí)到滿足宇稱時(shí)間(PT)對(duì)稱性和反PT 對(duì)稱性的系統(tǒng)具有著類似于厄米系統(tǒng)的實(shí)本征值后,對(duì)于非厄米體系統(tǒng)的研究不斷取得進(jìn)展,并揭示了厄米體以外豐富的物理現(xiàn)象。迄今為止,上述對(duì)稱系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)僅限于幾何維度上的線性耦合系統(tǒng),如耦合諧振腔(一維)、耦合波導(dǎo)(二維)等。實(shí)際上在更低幾何維度的系統(tǒng)中同樣可以實(shí)現(xiàn)較高維度的物理光學(xué)研究,其基本思想就是構(gòu)建耦合系統(tǒng),并將合成維度與幾何維度相結(jié)合,形成更高維度的合成空間。光學(xué)微腔自然地支持不同頻率的模式,不同模式之間又可以通過動(dòng)態(tài)調(diào)制或光學(xué)非線性手段進(jìn)行耦合,因此頻率是微腔中合成維度的重要方法。在回音壁微腔中,就有利用簡(jiǎn)并四波混頻系統(tǒng),將閑頻模式和信頻模式耦合,并基于此觀測(cè)到光致透明現(xiàn)象的先例。

我們利用光學(xué)微腔中的兩個(gè)不同頻率的光學(xué)模式代替現(xiàn)有的空間奇偶勢(shì)場(chǎng),通過布里淵增強(qiáng)四波混頻系統(tǒng)中的非線性合成一個(gè)附加的頻域,進(jìn)而從理論上建立了一個(gè)合成光譜維度上的反PT 的對(duì)稱性系統(tǒng)。與以往對(duì)原始PT 對(duì)稱性和反PT 對(duì)稱性的探索不同,通過非線性頻率轉(zhuǎn)換耦合同一個(gè)微腔中的兩個(gè)光譜分離的光模式,并不需要在空間PT 情況下有第二個(gè)微腔。這兩種非線性耦合模式相互影響,在實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的透射譜中,產(chǎn)生了與原子物理學(xué)中的對(duì)應(yīng)共振模式類似的布里淵散射致感應(yīng)透明(BSIT)或吸收(BSIA)現(xiàn)象。此外,通過使用專門為這個(gè)框架開發(fā)的調(diào)諧技術(shù),研究人員獲得了探測(cè)光的經(jīng)過系統(tǒng)后的譜線,并在理論上的EP 點(diǎn)附近觀察到了非厄米相變。這一工作為物理學(xué)中兩個(gè)新興領(lǐng)域的結(jié)合開辟了一個(gè)新的前沿,即合成維度物理和基于PT/反PT 對(duì)稱的非厄米系統(tǒng)。

光子學(xué)中合成頻率維度空間的研究

袁璐琦

(上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院, 上海 200240)

研究了動(dòng)態(tài)調(diào)制下光學(xué)諧振腔系統(tǒng),并將光的頻率自由度主動(dòng)耦合在一起,構(gòu)建了人工合成頻率維度。在結(jié)合該頻率維度的合成空間中,通過動(dòng)態(tài)調(diào)制,可以產(chǎn)生作用于光子的等效規(guī)范場(chǎng),從而能夠?qū)崿F(xiàn)包括拓?fù)溥吔鐟B(tài)等一系列物理現(xiàn)象。此外,發(fā)現(xiàn)可以結(jié)合光的兩個(gè)獨(dú)立的自由度,在單個(gè)光學(xué)諧振腔中搭建二維空間,并實(shí)現(xiàn)等效磁流。從理論出發(fā),研究了合成空間中的各類光學(xué)效應(yīng);在實(shí)驗(yàn)上對(duì)人工合成頻率維度進(jìn)行了驗(yàn)證,并在單個(gè)光學(xué)腔中搭建了兩個(gè)獨(dú)立合成維度。發(fā)現(xiàn)合成維度不僅能使人們?cè)诳臻g上操控光子,更能在合成維度上控制光子在其自由度上的轉(zhuǎn)換。此外,合成頻率維度概念也為在簡(jiǎn)單光學(xué)結(jié)構(gòu)中去研究復(fù)雜物理現(xiàn)象提供了新思路。

受激拉曼散射中雙諧波泵浦級(jí)聯(lián)寬帶輻射研究

王沖, 王瑩, 孫成林, 門志偉

(吉林大學(xué), 長(zhǎng)春 130012)

受激拉曼散射過程中通過注入斯托克斯光產(chǎn)生高階斯托克斯和反斯托克斯光輻射。此過程可用于有效生成由幾個(gè)等距光譜組成的可調(diào)光譜拉曼梳線。本實(shí)驗(yàn)是Nd:YAG 激光器作為激勵(lì)源發(fā)射出532 nm 波長(zhǎng)激光,通過小孔光闌,透鏡聚焦光束至樣品池,輸出的激光經(jīng)過二向色鏡并由探測(cè)器接收信號(hào)。本研究著重于以下幾個(gè)方面: 1)多階級(jí)聯(lián)斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射的閾值;2)單樣品池和雙樣品池的能量轉(zhuǎn)換效率;3)各階斯托克斯和反斯托克斯的脈寬壓縮。當(dāng)僅有泵浦光注入單樣品池時(shí),得到具有五階斯托克斯和三階反斯托克斯拉曼峰;而在泵浦激光和斯托克斯光經(jīng)過第二個(gè)樣品池時(shí),獲得了六階斯托克斯和反斯托克斯峰值的分布。發(fā)現(xiàn)單樣品池相比雙樣品池中出現(xiàn)拉曼峰所需要的激光能量閾值要大。苯環(huán)CC 三階振動(dòng)與CH 一階伸縮振動(dòng)頻移相似,產(chǎn)生激發(fā)態(tài)能量耦合及傳遞,此雙諧波作為泵浦源又產(chǎn)生了高頻雙受激峰的出現(xiàn)。當(dāng)泵浦光與斯托克斯光形成四波混頻時(shí),將產(chǎn)生相應(yīng)的反斯托克斯峰。當(dāng)使用裝有相同介質(zhì)的雙樣品池作為受激拉曼系統(tǒng)時(shí),可以實(shí)現(xiàn)雙諧波的最精確重合。這也就解釋了單樣品池和雙樣品池受激拉曼散射閾值不同的原因。此研究提供了一個(gè)簡(jiǎn)單且適用的方法來(lái)獲得可見光范圍內(nèi)的寬譜帶激光輸出。

內(nèi)部分束光柵壓縮器與超強(qiáng)超短激光時(shí)域參數(shù)單發(fā)測(cè)量

劉軍, 申雄, 王鵬, 李儒新

(中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所, 上海 201800)

超強(qiáng)超短激光可為人類在實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造出極端物理?xiàng)l件,在實(shí)驗(yàn)室天體物理、真空物理等前沿科學(xué)研究中有重要應(yīng)用。本文主要報(bào)道近年來(lái)圍繞10 ～100 PW 激光裝置的需要,在超強(qiáng)激光的對(duì)比度單發(fā)測(cè)量、脈沖形狀寬度測(cè)量、高對(duì)比度種子脈沖產(chǎn)生,以及光柵壓縮器設(shè)計(jì)等多個(gè)重要方面進(jìn)行的創(chuàng)新研究及成果。比如,團(tuán)隊(duì)提出了“四階相關(guān)儀”嶄新方法,國(guó)際首次實(shí)現(xiàn)同時(shí)最高動(dòng)態(tài)范圍1011(目前可達(dá)1012)和同時(shí)高時(shí)間分辨160 fs 對(duì)比度單發(fā)測(cè)量,解決了對(duì)比度單發(fā)測(cè)量的國(guó)際難題。國(guó)際上100 PW 都是通過組束方案來(lái)實(shí)現(xiàn),為了降低組束難度,并解決大光柵損傷與質(zhì)量的難題,創(chuàng)新性提出了“內(nèi)部分束光柵壓縮器”的壓縮組束新方案,簡(jiǎn)化了裝置,節(jié)省了成本,降低了大光柵波前質(zhì)量要求,并大大降低了組束難度?；赥G-SRSI 飛秒脈沖形狀寬度測(cè)量新方法,研制的直筒傻瓜式、全反射式和組合式飛秒脈沖測(cè)量?jī)x,具有比現(xiàn)有商用儀器更好的性能。

變換光學(xué)波導(dǎo)陣列中類比引力的研究

盛沖, 劉輝, 祝世寧

(南京大學(xué)物理學(xué)院, 南京 210093)

近年來(lái),超構(gòu)材料迎來(lái)了極為快速的發(fā)展,其具有將光和電磁輻射耦合到亞波長(zhǎng)尺度的能力,滿足了高速發(fā)展的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對(duì)光學(xué)元器件的高性能、微型化以及集成化的新要求?；诔瑯?gòu)材料的光子芯片帶來(lái)很多令人鼓舞的應(yīng)用。另一方面,超構(gòu)材料光子芯片還可以用來(lái)模擬一些廣義相對(duì)論的現(xiàn)象,尤其是探索一些尚未被實(shí)驗(yàn)證實(shí)的與引力相關(guān)的現(xiàn)象。簡(jiǎn)要介紹了不同類型的超構(gòu)材料芯片上模擬的類比引力的現(xiàn)象,著重介紹變換光學(xué)波導(dǎo)陣列這種光子芯片模擬研究黑洞附近玻色子和費(fèi)米子的量子演化,以及糾纏光子對(duì)在黑洞視界附近由于量子干涉而出現(xiàn)的光學(xué)逃逸現(xiàn)象,進(jìn)一步研究了糾纏光子對(duì)在黑洞視界附近糾纏熵衰減的現(xiàn)象。

金屬超構(gòu)表面的角分辨熱輻射研究

劉輝, 仲帆, 祝世寧

(南京大學(xué)物理學(xué)院, 南京 210093;東南大學(xué)物理學(xué)院, 南京 211189)

近年來(lái),對(duì)于熱輻射調(diào)控的研究吸引了眾多研究者投入其中,特別是其潛在提高能源利用效率、實(shí)現(xiàn)低成本高效的散熱等方面有著巨大的應(yīng)用前景。對(duì)此,我們近期通過設(shè)計(jì)金屬超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱輻射的調(diào)控。利用傅里葉紅外光譜儀搭建了角分辨熱輻射測(cè)量系統(tǒng),其無(wú)須額外信號(hào)源的特點(diǎn)使得我們可以方便地測(cè)量所設(shè)計(jì)的金屬超構(gòu)表面對(duì)熱輻射信號(hào)的調(diào)控,并且這一系統(tǒng)在測(cè)量能量動(dòng)量關(guān)系時(shí)有著很高的可靠性與角分辨度,使得金屬超構(gòu)表面的本征特性可以被清晰地表征。通過此系統(tǒng),可以表征金屬超表面周期單元結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫再|(zhì)以及其在開放系統(tǒng)導(dǎo)致的非厄米系統(tǒng)中的內(nèi)在本征模式。在金屬超構(gòu)表面設(shè)計(jì)中,利用鍺、金、鍺三層金屬組成褶皺型平板結(jié)構(gòu),通過研究這一單元結(jié)構(gòu)中的偏振波導(dǎo)模式的對(duì)稱性差異,確定其拓?fù)湫再|(zhì),解釋了模場(chǎng)對(duì)稱性與遠(yuǎn)場(chǎng)熱輻射強(qiáng)度的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)連續(xù)體中的束縛態(tài)。利用不同的結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成超晶格實(shí)現(xiàn)了熱輻射體系中的拓?fù)浣缑鎽B(tài)。在測(cè)試的金屬超構(gòu)表面單元結(jié)構(gòu)中,可以通過精確調(diào)整結(jié)構(gòu)的參數(shù),連續(xù)看到拓?fù)湫再|(zhì)的變化與能帶的翻轉(zhuǎn)即束縛態(tài)與輻射態(tài)位置的互換,展示了一個(gè)動(dòng)態(tài)連續(xù)調(diào)控的過程。

Orbital-angular-momentum-based experimental test of Hardy’s paradox for multisetting and multidimensional systems

ZHANG Dongkai

(Xiamen University, Xiamen 361005, China)

Characterizing high-dimensional entangled states is of crucial importance in quantum information science and technology.Recent theoretical progress has been made to extend the Hardy’s paradox into a general scenario with multisetting multidimensional systems,which can surpass the bound limited by the original version.Hitherto,no experimental verification has been conducted to verify such a Hardy’s paradox,as most of previous experimental efforts were restricted to two-dimensional systems.Here,based on two-photon high-dimensional orbital angular momentum(OAM)entanglement, we report the first experiment to demonstrate the Hardy′s paradox for multiple settings and multiple outcomes.We demonstrate experimentally the paradox for two-setting higherdimensional OAM subspaces up tod= 7, which reveals that the nonlocal events increase with the dimension.Furthermore, we showcase the nonlocality with an experimentally recording probability of 36.77%for five-setting three-dimensional OAM subspace via entanglement concentration,and thus showing a sharper contradiction between quantum mechanics and classical theory.

基于超高階導(dǎo)模直接觀測(cè)光的自旋霍爾效應(yīng)

戴海浪, 曹莊琪, 陳險(xiǎn)峰

(上海交通大學(xué), 上海 200240)

當(dāng)不同波矢組成的平面波的波包進(jìn)入一個(gè)折射率在變化的空間時(shí),不同波矢組成的平面波經(jīng)歷不同的幾何相位,從而影響空間剖面而在橫向上發(fā)生分離的現(xiàn)象即為光子的自旋霍爾效應(yīng)。其中,在橫向上的分離的距離就是Imbert-Fedorov(IF)位移。因此,評(píng)判光子自旋霍爾效應(yīng)強(qiáng)弱的另一種描述就是在橫向上左旋光子和右旋光子分離的距離IF 位移的大小。同時(shí),IF 位移也是評(píng)判光子進(jìn)入結(jié)構(gòu)之后自旋-軌道角動(dòng)量相互作用強(qiáng)弱的依據(jù),所以一個(gè)可直接觀測(cè)的超大IF 位移對(duì)于將光子自旋霍爾效應(yīng)應(yīng)用到生物分子結(jié)構(gòu)的檢測(cè)以及左手材料的檢測(cè)是一項(xiàng)很重要的應(yīng)用。然而,由于自旋-軌道相互作用的強(qiáng)度很弱,導(dǎo)致產(chǎn)生的IF 基本都是在亞波長(zhǎng)量級(jí),因此很難在實(shí)驗(yàn)上直接觀測(cè)到左旋光和右旋光的橫向分離。本工作利用雙折射晶體金屬覆蓋波導(dǎo)在小角度激發(fā)超高階導(dǎo)模理論分析IF 位移的決定性因子,以及實(shí)現(xiàn)放大IF 位移的機(jī)制。并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該理論實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)的“自旋-軌道”相互作用的機(jī)制,實(shí)現(xiàn)了可視化IF 位移,最終實(shí)現(xiàn)了0.16 mm 大小的IF位移。

Atomic receiver based on microwave-dressed Rydberg spectroscopy

HU Ying

(Shanxi University, Taiyuan 030006, China)

Highly sensitive phase- and frequency-resolved detection of microwave electric fields is of central importance in a wide range of fields,including cosmology,meteorology,communication and microwave quantum technology.Atom-based electrometers promise traceable standards for microwave electrometry, but their best sensitivity is currently limited to a few μV/cm per square root hertz and they only yield information about the field amplitude and polarization.Here, we demonstrate a conceptually new microwave electric field sensor-the Rydberg-atom superheterodyne receiver.The sensitivity of this technique scales favourably,achieving even 55 nV/cm per square root hertz with a modest set-up.The minimum detectable field of 780 pV/cm is three orders of magnitude smaller than what can be reached by existing atomic electrometers.The Rydberg-atom superhet allows SI-traceable measurements, reaching uncertainty levels of 10-8V/cm when measuring a sub-μV/cm field, which has been inaccessible so far with atomic sensors.Our method also enables phase and frequency detection.In sensing Doppler frequencies,sub-μHz precision is reached for fields of a few hundred nV/cm.This work is a first step towards realizing electromagnetic-wave quantum sensors with quantum projection noise-limited sensitivity.Such a device will impact diverse areas like radio astronomy,radar technology and metrology.

Hong-Ou-Mandel interferometry on a biphoton beat note

CHEN Yuanyuan

(Xiamen University, Xiamen 361005, China)

Hong-Ou-Mandel interference, the fact that identical photons that arrive simultaneously on different input ports of a beam splitter bunch into a common output port,can be used to measure optical delays between different paths.It is generally assumed that great precision in the measurement requires that photons contain many frequencies,i.e.,a large bandwidth.Here we challenge this“well-known”assumption and show that the use of two well-separated frequencies embedded in a quantum entangled state(discrete color entanglement)suffices to achieve great precision.We determine optimum working points using a Fisher Information analysis and demonstrate the experimental feasibility of this approach by detecting thermally-induced delays in an optical fiber.These results may significantly facilitate the use of quantum interference for quantum sensing,by avoiding some stringent conditions such as the requirement for large bandwidth signals.

量子非線性邁克爾遜干涉儀

楊琛

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué), 安徽 合肥 230026)

干涉儀是科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用中的重要測(cè)量工具。介紹了一種基于二階準(zhǔn)相位匹配晶體自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換效應(yīng)的非線性干涉儀。這種特殊的干涉儀利用了光子的關(guān)聯(lián)性,使得通過待測(cè)樣品的光子和被探測(cè)器探測(cè)的光子能夠處于不同波段,即可以實(shí)現(xiàn)通過測(cè)量可見光子來(lái)推測(cè)樣品的紅外光學(xué)性質(zhì)。本文先給出該干涉儀的理論模型,再報(bào)道一種具有邁克爾遜結(jié)構(gòu)的非線性干涉儀的實(shí)驗(yàn)研究,包括等傾干涉和等厚干涉實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了該干涉儀在實(shí)際測(cè)量應(yīng)用中的可行性。

基于Dual-EIT效應(yīng)在室溫原子氣室中實(shí)現(xiàn)四通道非線性非互易系統(tǒng)

胡耀東, 許宏荊, 賀炎炎, 張俊香

(浙江大學(xué)物理學(xué)系, 浙江 杭州 310007)

在非磁性線性介質(zhì)中,由于麥克斯韋方程滿足洛倫茲互易性,系統(tǒng)的前后向傳輸特性往往一致。當(dāng)通過內(nèi)部/外部引入非對(duì)稱偏置后,這種互異性會(huì)被打破,從而導(dǎo)致時(shí)間反演對(duì)稱性破缺。這樣的非互易系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于構(gòu)建了透射特性的方向性。分別從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面介紹一種室溫環(huán)境下利用銫原子氣室實(shí)現(xiàn)四通道同步增益的非互易系統(tǒng),其基于能夠產(chǎn)生群速度匹配的關(guān)聯(lián)雙通道的Dual-EIT 效應(yīng)以及光學(xué)混頻非線性效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,由于強(qiáng)耦合場(chǎng)的單向傳輸,使得時(shí)間反演奇變換的波矢的空間對(duì)稱性被破壞,從而打破時(shí)間反演對(duì)稱,波矢的非對(duì)稱性直接破壞了對(duì)向傳輸系統(tǒng)基于熱原子多普勒失諧的DEIT 結(jié)構(gòu)的量子相干性以及多波混頻系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)移匹配條件,從而構(gòu)建了單向多通道增益系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)上利用該系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)最高正向30 dB 增益以及反向-23 dB 的抑制。系統(tǒng)的增益幅值與光場(chǎng)可調(diào)參數(shù)如耦合光Rabi 頻率,失諧值以及溫度等緊密相關(guān),特殊的選取得以構(gòu)建增益損耗平衡系統(tǒng),這同時(shí)為原子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)PT 對(duì)稱/反對(duì)稱結(jié)構(gòu)提供了新的方案。

基于間隙等離激元-偶極子體系的手性耦合珀塞爾增強(qiáng)及單向傳輸

單凌霄, 張帆, 任娟娟, 張淇, 龔旗煌, 古英

(北京大學(xué)物理學(xué)院, 北京 100871)

手性耦合是一種光的自旋軌道耦合現(xiàn)象,它在圓偏振偶極子與倏逝波耦合的情況下產(chǎn)生。此時(shí),圓偏振偶極子激發(fā)單向傳播的倏逝波,且單向傳播方向與激發(fā)光偏振“鎖定”。這種單向傳輸特性使其在非互易器件的研究中引起諸多討論。但是手性耦合中的珀塞爾增強(qiáng)還較少被研究。而這有利于實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度更高的單向光子輸出,為單光子源和納米激光邁向?qū)嶋H應(yīng)用提供可能。

我們利用間隙等離激元-偶極子體系構(gòu)建了一個(gè)強(qiáng)烈局域的納米間隙。在數(shù)值計(jì)算中,整個(gè)體系同時(shí)具有好的單向傳輸特性以及很大的珀塞爾增強(qiáng):傳輸單向性可達(dá)91%,間隙中的圓偏振偶極子得到了104倍以上的珀塞爾增強(qiáng),經(jīng)納米線收集的輻射功率相比偶極子的真空輻射增強(qiáng)了500 倍。并且,單向傳輸?shù)姆较蚩梢酝ㄟ^金屬環(huán)的模式來(lái)調(diào)控。

基于間隙表面等離激元的高保真度量子門研究

張淇, 郝赫, 任娟娟, 張帆, 龔旗煌, 古英

(北京大學(xué)物理學(xué)院, 北京 100871)

在微納光子結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)量子門,將極大地推動(dòng)芯片上量子器件的小型化和集成化。表面等離激元以超小模式體積和超強(qiáng)的局域場(chǎng)而廣受關(guān)注,在調(diào)控珀塞爾效應(yīng)和增強(qiáng)光與原子相互作用等方面有著廣泛的應(yīng)用。然而,在強(qiáng)耦合的表面等離激元納米腔中實(shí)現(xiàn)高保真度的量子相位門尚未被提出。在此,基于金屬納米錐-金屬納米線結(jié)構(gòu),我們從理論上提出了種量子相位門,可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)納米尺度上的任意相位調(diào)控和有效光子收集。該模型引入了增益介質(zhì),有效地減小了納米腔的損耗,使量子門的保真度提升至88.8%,同時(shí),輻射的光子可以通過金屬納米線引導(dǎo)和收集,收集效率超過30%,有利于量子器件間的連接。該系統(tǒng)可作為通用量子節(jié)點(diǎn)來(lái)處理和存儲(chǔ)量子信息,為芯片上的多功能量子門和新型量子線路的物理實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了希望。

A spatially pinned surface plasmon through short-circuiting electronic oscillation in waveguide-sustained SPPs

FU Yulan, ZHANG Xiaochen, WANG Meng, ZHANG Xinping

(Institute of Information Photonics Technology and Faculty of Science,Beijing University of Technology,Beijing 100124, China)

Surface plasmons (SPs) exhibit unique characteristics due to participation of the conduction electrons within the metal and have been widely used in nanophotonic and optoelectric devices.SPs are often categorized into two types: Localized surface plasmons(LSPs)confined to subwavelength metallic objects and surface plasmon polaritons(SPP)propagating along metal-dielectric interfaces.The coupling between LSP and SPP has been studied in-depth in hybrid systems consisting of metal nanoparticles above a thin metal film.

In this work, we present a spatially pinned plasmonic nanostructure composed of a gold nanoshell grating and a planar gold film and examine the coupling between the LSPs on each individual grating line and the SPP-Bloch wave propagating along the gold nanolayers.A gold nanoloop was formed in the pinned plasmonic nanostructure and the short-circuited electronic oscillation in the nanoloop gave rise to a new hybrid plasmon.As a comparison, a Poly(methyl methacrylate) (PMMA) spacer layer was inserted between the nanoshell grating and the planar gold film to adjust the coupling between the LSPs and the SPP-Bloch wave.TA spectroscopic investigations revealed characteristics of the spatially pinned hybrid nanostructure,indicating that the relaxation dynamics of the plasmonic electron oscillation was dramatically modified after being pinned with the lifetime of electron-phonon scattering extended from 2.76 to 5.56 ps.Furthermore, a holding time as large as 1.3 ps in the electron relaxation process was observed with the PMMA-spacered structure, which was sustained by the distributed feedback (DFB) microcavities aided by the PMMA waveguide layer and vanished in the pinned structures due to the blocking of the propagation channels of the SPP waves.

區(qū)域液晶面外定向技術(shù)及其在光場(chǎng)調(diào)控中的應(yīng)用

王鈺, 李曉榮, 高少華, 楊東浩, 王佳藝, 崔慧林, Chemingui M, 張心正, 許京軍

(南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院弱光非線性光子學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300071)

通過對(duì)入射光波相位、振幅、偏振、頻譜和相干性等的控制可以調(diào)控光場(chǎng)的分布和傳輸,在科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用方面都具有重要的價(jià)值。簡(jiǎn)單高效、成本低廉地實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)的有效調(diào)控已經(jīng)成為光場(chǎng)調(diào)控領(lǐng)域亟需解決的課題之一。提出了一種新型的區(qū)域液晶面外取向技術(shù),基于飛秒多光子光聚合激光直寫制備出由聚合物條帶構(gòu)成的微結(jié)構(gòu),將其制成液晶盒,并充入不同種類的液晶,即可實(shí)現(xiàn)電光開關(guān)、磁光開關(guān)、光場(chǎng)調(diào)控等功能。制作了不同參數(shù)的液晶q 波片,分別產(chǎn)生了軸對(duì)稱矢量光、渦旋光和矢量渦旋光,此液晶器件具有電調(diào)諧和寬波段適用的特點(diǎn)。當(dāng)以圓偏光入射時(shí),通過調(diào)節(jié)液晶q 波片兩端的電壓,可以實(shí)現(xiàn)渦旋光場(chǎng)、矢量渦旋光場(chǎng)和標(biāo)量光場(chǎng)之間的轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)了聚合物-手性液晶復(fù)合體系,研究了聚合物條帶間距對(duì)缺陷模式耦合的影響及禁帶中迷你能帶的形成。在一維周期聚合物條帶結(jié)構(gòu)中填充鐵磁性向列相液晶,通過外加磁場(chǎng)即可對(duì)液晶分子的取向進(jìn)行調(diào)控,此方法對(duì)實(shí)現(xiàn)非接觸式的可調(diào)控衍射光學(xué)器件或其它液晶功能性器件具有重要意義。

里德堡阻塞效應(yīng)下集體激發(fā)的同相與反相控制及糾纏研究

白文杰, 韓海燕, 陳麗, 嚴(yán)冬

(長(zhǎng)春大學(xué)理學(xué)院, 吉林 長(zhǎng)春 130022)

基于里德堡偶極阻塞效應(yīng)的同相與反相控制研究具有非常重要的意義。在激光場(chǎng)作用下,嚴(yán)格的偶極阻塞區(qū)域中具有空間分離的兩個(gè)冷原子系綜,既可以看作是一個(gè)大的超級(jí)原子,也可以看作是兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的較小超級(jí)原子。將其中一個(gè)設(shè)置為控制超級(jí)原子,另一個(gè)為目標(biāo)超級(jí)原子,以此為基礎(chǔ)研究?jī)蓚€(gè)超級(jí)原子的集體激發(fā)同相和反相行為以及糾纏性質(zhì)。結(jié)果表明,初態(tài)均為基態(tài),即ψ(0) = |Gc〉|Gt〉,等大(包含相等的原子數(shù))的兩個(gè)超級(jí)原子可以實(shí)現(xiàn)精確的同相激發(fā),同時(shí)可以制備出集體態(tài)的最大糾纏態(tài)而不等大的兩個(gè)超級(jí)原子,當(dāng)原子數(shù)目差為1 時(shí),可以實(shí)現(xiàn)近似的同相控制,并且隨著超級(jí)原子包含的原子數(shù)目增大,這種差異就變得微不足道,即對(duì)數(shù)目大的超級(jí)原子,可以實(shí)現(xiàn)同相控制和集體態(tài)的最大糾纏制備。當(dāng)初態(tài)為ψ(0) = |Rc〉|Gt〉(ψ(0) = |Gc〉|Rt〉),即控制超級(jí)原子(目標(biāo)超級(jí)原子)激發(fā),而目標(biāo)超級(jí)原子(控制超級(jí)原子)處于基態(tài)的時(shí)候,可以實(shí)現(xiàn)反相控制。

超導(dǎo)腔中薛定諤貓態(tài)的制備與調(diào)控研究

孫風(fēng)瀟, 何瓊毅, 龔旗煌

(北京大學(xué), 北京 100871)

薛定諤貓態(tài)是一種典型的宏觀量子疊加態(tài),實(shí)現(xiàn)對(duì)薛定諤貓態(tài)的制備與調(diào)控不僅有利于探索量子力學(xué)基本問題,而且對(duì)于實(shí)現(xiàn)量子通信、量子計(jì)算和量子精密測(cè)量等方面都有著重要的意義。在最近的實(shí)驗(yàn)中,人們?cè)诔瑢?dǎo)腔系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了弱相干的瞬態(tài)薛定諤貓態(tài)。為了進(jìn)一步闡明非線性相互作用對(duì)于薛定諤貓態(tài)制備與調(diào)控的影響,實(shí)現(xiàn)大粒子數(shù)、強(qiáng)相干性薛定諤貓態(tài)的制備與調(diào)控,我們對(duì)超導(dǎo)腔模式的基態(tài)性質(zhì)進(jìn)行了深入研究,給出了超導(dǎo)腔模式的相圖以及實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)并基態(tài)的參數(shù)范圍。在此基礎(chǔ)上,通過分析系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)在強(qiáng)非線性相互作用極限下的性質(zhì),給出了增強(qiáng)穩(wěn)態(tài)薛定諤貓態(tài)的純度與量子相干性的條件,闡釋了單光子耗散對(duì)于穩(wěn)態(tài)薛定諤貓態(tài)的破壞性。為了克服穩(wěn)態(tài)下薛定諤貓態(tài)純度低、相干性弱的缺點(diǎn),詳細(xì)分析了超導(dǎo)腔系統(tǒng)中非線性性質(zhì)對(duì)于瞬態(tài)薛定諤貓態(tài)性質(zhì)的影響,并基于目前可實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)條件,提出了制備大粒子數(shù)、強(qiáng)相干性瞬態(tài)薛定諤貓態(tài)的方案。研究了超導(dǎo)腔模式簡(jiǎn)并基態(tài)間的量子隧穿性質(zhì),發(fā)現(xiàn)可通過系統(tǒng)失諧以及非線性相互作用來(lái)調(diào)控量子隧穿,為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)薛定諤貓態(tài)的量子調(diào)控、優(yōu)化量子計(jì)算及量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供了新思路。

超低激發(fā)閾值柔性二氧化釩太赫茲波調(diào)制器

馬赫, 王鈺, 張新平

(北京工業(yè)大學(xué), 北京 100124)

由于具有多激勵(lì)、寬譜響應(yīng)、插入損耗小和響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì),VO2是一種理想的THz 波主動(dòng)調(diào)制材料。但是,由于傳統(tǒng)半導(dǎo)體基底存在缺乏柔性、熱容大、熱導(dǎo)率低和不導(dǎo)電等問題,在硬質(zhì)基底上難以實(shí)現(xiàn)高性能VO2基THz 波主動(dòng)調(diào)制器件。為解決上述問題,申請(qǐng)人將VO2生長(zhǎng)在順排CNT 薄膜上。順排CNT 薄膜具有沿CNT 軸向有序排列的特性。當(dāng)THz 波偏振方向與CNT 方向平行時(shí),順排CNT 薄膜對(duì)THz 波強(qiáng)烈吸收。當(dāng)THz 波偏振方向與CNT 方向垂直時(shí),順排CNT 薄膜對(duì)THz 波透過率較高。因此,當(dāng)THz 波偏振方向與CNT 方向垂直時(shí),VO2/CNT 薄膜可作為THz 波強(qiáng)度調(diào)制器。利用VO2相變和CNT 高吸光、低熱容的協(xié)同效應(yīng),VO2/CNT 薄膜THz 波強(qiáng)度調(diào)制器具有消光比高、激發(fā)閾值低和響應(yīng)速度快的優(yōu)勢(shì)。值得一提的是,該THz 波強(qiáng)度調(diào)制器的激發(fā)閾值僅為前人報(bào)道VO2基THz 主動(dòng)調(diào)制器激發(fā)閾值的4%。另外,由于VO2/CNT 薄膜中CNT 薄膜的高度有序性,VO2/CNT 薄膜起到偏振片的作用,因此具有多功能性。另外,為了展示其應(yīng)用,利用VO2/CNT 薄膜對(duì)THz 成像進(jìn)行了主動(dòng)調(diào)控。

光場(chǎng)調(diào)控在強(qiáng)場(chǎng)物理中的應(yīng)用

劉運(yùn)全

(北京大學(xué)物理學(xué)院人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100871)

隨著超短脈沖激光技術(shù)的發(fā)展,尤其基于啁啾脈沖放大技術(shù),飛秒激光的脈沖寬度越來(lái)越短,實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)可以產(chǎn)生脈沖寬度達(dá)到極限單周期量級(jí)的飛秒激光,強(qiáng)度也越來(lái)越強(qiáng),聚焦的激光電場(chǎng)強(qiáng)度可以遠(yuǎn)超過原子內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)109V/cm。因此超短脈沖激光與物質(zhì)相互作用,是一種高度非線性過程。通過激光脈沖整形及相干控制是超短脈沖激光應(yīng)用一個(gè)非常有效的手段,也是超快光科學(xué)最重要的前沿研究之一。激光脈沖的控制,從最早的改變激光脈沖的單個(gè)參數(shù),比如調(diào)節(jié)波長(zhǎng)或啁啾等,發(fā)展到了包括脈沖形狀、初始位相、偏振等多個(gè)新參數(shù)改變來(lái)調(diào)制激光脈沖。通過對(duì)激光脈沖的這些參數(shù)的控制,會(huì)帶來(lái)其時(shí)域分布、相位、偏振等性質(zhì)的改變。開展光場(chǎng)的時(shí)域、空域調(diào)控及其與物質(zhì)相互作用,將促進(jìn)發(fā)現(xiàn)新效應(yīng)和新現(xiàn)象、催生新技術(shù)和新應(yīng)用,進(jìn)一步深刻理解“光”的性質(zhì)、挖掘激光潛能和拓展激光應(yīng)用。基于時(shí)域脈沖整形,我們構(gòu)建了幾種阿秒鐘,對(duì)強(qiáng)激光場(chǎng)隧道電離過程進(jìn)行了深入研究。

結(jié)合光電子成像技術(shù),我們最近開展了光場(chǎng)調(diào)控對(duì)強(qiáng)激光場(chǎng)中光子自旋軌道相互作用的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接證明了結(jié)構(gòu)光場(chǎng)發(fā)生了軌道自旋轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)化得到的自旋角動(dòng)量通過光電子動(dòng)量得到了非常直觀的體現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)強(qiáng)激光場(chǎng)光子軌道角動(dòng)量-自旋角動(dòng)量的轉(zhuǎn)換,可以廣泛應(yīng)用于產(chǎn)生具有高軌道態(tài)、自旋態(tài)可控的極紫外光子束和電子束等。

金屬襯底波導(dǎo)中單光子輻射場(chǎng)的操控研究

陳建軍

(1 北京師范大學(xué)物理學(xué)系,應(yīng)用光學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875;2 北京大學(xué)物理學(xué)院,人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100871;3 山西大學(xué)極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心, 山西 太原 030006)

單光子發(fā)射體是按需確定性產(chǎn)生單個(gè)光子,這些光子具有明確的偏振以及時(shí)空模式,并且在同一模式中有且只有一個(gè)光子的發(fā)射體。近些年來(lái)人們開發(fā)大量的類原子單光子發(fā)射體,但是性能依然有待提高,比如單光子產(chǎn)生速率小,收集效率低,偏振態(tài)隨機(jī)等。金屬結(jié)構(gòu)支持的表面等離激元具有突破衍射極限的場(chǎng)束縛特性和巨大的場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng),非常適合操控單光子發(fā)射體的輻射場(chǎng)。近年來(lái),利用金屬表面等離激元結(jié)構(gòu)來(lái)操控單光子發(fā)射體輻射場(chǎng)得到大量的關(guān)注。我們基于金屬襯底上的表面等離激元波導(dǎo)結(jié)構(gòu),提出利用結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性操控單光子發(fā)射體輻射場(chǎng)面外輻射光斑形狀分布和偏振性質(zhì);提出在金屬襯底和介質(zhì)條中間插入厚度可控的納米介質(zhì)膜來(lái)控制量子點(diǎn)的垂直位置,從而進(jìn)一步增強(qiáng)波導(dǎo)中單光子發(fā)射體的自發(fā)輻射速率;利用金屬襯底波導(dǎo)的低損耗和模式不截止特性,在波導(dǎo)-狹縫結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了超亮單光子發(fā)射體和高效的單光子面內(nèi)引導(dǎo)。

高品質(zhì)鈮酸鋰微腔中的非線性光學(xué)新效應(yīng)

林錦添1,2, 方致偉1, 汪旻1, 姚妮3,方偉3, 薄方3, 程亞1,2

(1 華東師范大學(xué), 上海 200062;2 中國(guó)科學(xué)院上海光機(jī)所, 上海 201800;3 浙江大學(xué), 浙江 杭州 310027;4 南開大學(xué), 天津 300457)

鈮酸鋰薄膜微腔具有很高的品質(zhì)因子(～107)和很小的模式體積,在片上非線性頻率轉(zhuǎn)換、光學(xué)頻率梳和光力學(xué)等領(lǐng)域有重要的潛在應(yīng)用前景。近期,我們?cè)诟咂焚|(zhì)的鈮酸鋰薄膜微盤腔中實(shí)現(xiàn)了豐富的非線性光學(xué)效應(yīng):(1)對(duì)X 切的單晶微盤腔,通過設(shè)計(jì)微腔的幾何結(jié)構(gòu)色散,利用了鈮酸鋰最大的二階非線性光學(xué)系數(shù)d33,實(shí)現(xiàn)了寬譜的、高效的二次諧波產(chǎn)生和級(jí)聯(lián)三次諧波產(chǎn)生,歸一化轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到10%/mW 和1%/mW2;(2)通過光纖錐與微盤腔耦合時(shí)引入弱的微擾,在非變形的微盤腔中觀測(cè)到多邊形和星型的高品質(zhì)光學(xué)模式,并實(shí)現(xiàn)了高效(4.9%/mW)的二次諧波產(chǎn)生、具有高的本征力學(xué)品質(zhì)因子(336)的光力學(xué)振蕩以及光頻梳產(chǎn)生;(3)通過耦合微腔產(chǎn)生的模式劈裂,在微腔正常色散區(qū)實(shí)現(xiàn)了二次諧波引發(fā)的高效級(jí)聯(lián)四波混頻效應(yīng)和受激拉曼散射。

表面非線性光譜學(xué)及其在新能源界面體系的應(yīng)用

田傳山

(復(fù)旦大學(xué), 上海 200438)

在實(shí)際器件的界面中,不同深處的結(jié)構(gòu)對(duì)界面特性和功能的影響有顯著差別。因此,發(fā)展可將界面結(jié)構(gòu)分層表征的表面非線性光譜理論和技術(shù),是原位探索界面結(jié)構(gòu)和能量轉(zhuǎn)移微觀機(jī)制的關(guān)鍵?；诒韺雍蜕顚臃肿拥姆蔷€性響應(yīng)對(duì)光波矢依賴性的本征差異,我們提出了通過界面層間干涉獲取界面相位信息,進(jìn)而發(fā)展了界面結(jié)構(gòu)的層析理論方法和實(shí)驗(yàn)方案,突破了過去無(wú)法將有限厚度界面的表層與深層結(jié)構(gòu)分離表征的瓶頸,首次在實(shí)驗(yàn)上獲得了直接參與界面物質(zhì)、能量交換的表層分子的微觀結(jié)構(gòu)。將該技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際新型能源界面,即柔性發(fā)電器件界面和可燃冰界面,理清了該界面能量轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)的微觀機(jī)理,進(jìn)而提出了改善效率的解決方案。

基于非線性諧振腔的高效率脈沖壓縮及其在高次諧波中的應(yīng)用

張盛1, 付宗源1, 朱冰冰1, 范廣宇2, 陳玉東1, 王順甲1劉雅欣1, Andrius Baltuska2, 金成3, 田傳山1, 陶鎮(zhèn)生1

(1 應(yīng)用表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200433;2 Institute of Photonics,TU Wien, Vienna, Austria;3 南京理工大學(xué)理學(xué)院, 江蘇 南京 210094)

產(chǎn)生具有高質(zhì)量空間模式的高能量超短激光脈沖是超快和強(qiáng)場(chǎng)光學(xué)物理發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。這通?？梢酝ㄟ^非線性頻譜展寬和脈沖壓縮技術(shù)實(shí)現(xiàn),而實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)脈沖壓縮的關(guān)鍵是控制高能量飛秒脈沖在Kerr 非線性作用下達(dá)到穩(wěn)定傳播的條件。我們提出在周期性排布的層狀Kerr 非線性介質(zhì)中產(chǎn)生的空間光孤子狀態(tài)可以為超連續(xù)譜產(chǎn)生和脈沖壓縮提供一個(gè)優(yōu)質(zhì)的條件。通過實(shí)驗(yàn)和理論的研究,成功發(fā)現(xiàn)了這些光孤子態(tài),證明了其空間橫向尺度和非線性相位間的關(guān)系,并且揭示了這些光孤子態(tài)獨(dú)特的穩(wěn)定性條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了復(fù)雜的時(shí)空耦合傳播會(huì)強(qiáng)烈地影響光孤子的光譜、空間和時(shí)間結(jié)構(gòu)。利用這些光孤子獨(dú)特的性質(zhì),證明了單級(jí)脈沖壓縮可以將激光脈沖從初始的170 fs 壓縮至22 fs,并達(dá)到大于80%的空間和時(shí)間效率。理論模擬顯示,該亮度是對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)、脈沖寬度的極限亮度。優(yōu)質(zhì)的高亮度高次諧波產(chǎn)生也直接證明了高效率脈沖壓縮方案極佳的壓縮效果。結(jié)合近年來(lái)長(zhǎng)脈沖寬度的Yb 飛秒激光器系統(tǒng)的快速發(fā)展,相信所提出方法可以提供一種普適的、簡(jiǎn)易的、穩(wěn)定高效的脈沖壓縮工具。

自共振效應(yīng)驅(qū)動(dòng)乙醇分子高階受激拉曼散射

王瑩, 劉曉楓, 門志偉

(吉林大學(xué), 吉林 長(zhǎng)春 130012)

眾所周知,受激拉曼散射(SRS)可以通過泵浦激光與工作介質(zhì)之間的強(qiáng)相互作用來(lái)敏銳地反映不同條件下樣品化學(xué)結(jié)構(gòu)、相、形態(tài)、結(jié)晶度以及分子相互作用的詳細(xì)信息。除此之外,SRS 還可以通過拉曼頻移來(lái)產(chǎn)生新的波長(zhǎng)的激光。SRS 的峰來(lái)源于自發(fā)拉曼噪聲放大,只有最強(qiáng)的拉曼光譜帶被選擇性增強(qiáng),其他峰則受到抑制。因此,在正常的SRS 現(xiàn)象中,只能觀察到該峰。但是,外界條件的改變?nèi)绫闷帜芰康脑黾?會(huì)產(chǎn)生SRS 級(jí)聯(lián)效應(yīng)。高階斯托克斯線具有許多優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用,如:可以實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)和多波長(zhǎng)激光操作;可以凈化光束并壓縮脈沖寬度以獲得具有高光束質(zhì)量和高光譜純度的激光器等。因此對(duì)其進(jìn)行研究具有重要意義。

本文采用532 nm 激光來(lái)研究乙醇分子的SRS 過程。在雙樣品池情況下,將第一個(gè)樣品池乙醇出射的斯托克斯光作為第二個(gè)樣品池的入射激光,來(lái)激發(fā)第二個(gè)樣品池中乙醇的高階SRS。并發(fā)現(xiàn)在同等條件下,雙樣品池下第二個(gè)樣品池出現(xiàn)斯托克斯信號(hào)的閾值要明顯低于單個(gè)樣品池的情況。此外,對(duì)于單個(gè)樣品池而言,最多只能探測(cè)到乙醇分子的二階斯托克斯信號(hào)。而對(duì)于雙樣品池中第二個(gè)樣品池而言,能探測(cè)到乙醇分子的三階以及反一階斯托克斯信號(hào)。對(duì)于轉(zhuǎn)換效率而言,單個(gè)樣品池的轉(zhuǎn)換效率要明顯高于雙樣品池下第二個(gè)樣品池的轉(zhuǎn)換效率。產(chǎn)生此種現(xiàn)象是由于自共振效應(yīng)。第一個(gè)樣品池的出射激光中既含有乙醇的斯托克斯光,又含有泵浦光,二者之間的頻率差Δω = ωP-ωS與乙醇分子的CH3對(duì)稱伸縮振動(dòng)Ω 相匹配,使得泵浦光信號(hào)減弱,乙醇的各階斯托克斯信號(hào)增強(qiáng)。此外在兩個(gè)樣品池的情況下,增加了激光與物質(zhì)相互作用的距離,這也是使乙醇分子產(chǎn)生級(jí)聯(lián)現(xiàn)象的另一原因。

內(nèi)模共振效應(yīng)增強(qiáng)寬帶受激拉曼散射研究

任盼盼, 李占龍, 門志偉

(吉林大學(xué)物理學(xué)院, 吉林 長(zhǎng)春 130012)

受激拉曼散射(SRS)是非線性激光效應(yīng)中發(fā)現(xiàn)最早、研究最廣的一種效應(yīng),其光譜具有多重譜線的特性。苯及其衍生物具有良好的拉曼增益效應(yīng),它們有著低閾值、高轉(zhuǎn)換效率等特點(diǎn),可以獲得高階級(jí)聯(lián)受激拉曼散射譜線。我們以氯苯為研究對(duì)象,在實(shí)驗(yàn)中觀察到氯苯SRS 譜線可達(dá)十階,受激光輻射覆蓋了可見光范圍。由于氯苯CC 呼吸振動(dòng)三階SRS 與CH 一階伸縮振動(dòng)SRS 相鄰,并且只有CC 三階SRS 產(chǎn)生的時(shí)候,才會(huì)伴隨CH 一階SRS 的出現(xiàn),這歸因于二者發(fā)生振動(dòng)模式耦合,激發(fā)態(tài)能量在CC 和CH 振動(dòng)能級(jí)間發(fā)生轉(zhuǎn)移,從而誘導(dǎo)產(chǎn)生一階CH 伸縮振動(dòng)峰。這將為實(shí)現(xiàn)超連續(xù)相干輻射提供一種可能。

受激拉曼散射增強(qiáng)技術(shù)及機(jī)理研究

竇振國(guó), 孫成林, 門志偉

(吉林大學(xué)物理學(xué)院, 吉林 長(zhǎng)春 130012)

激光的出現(xiàn)使經(jīng)典的普通拉曼效應(yīng)獲得了新的提高和發(fā)展。當(dāng)激光功率提高時(shí),在一定條件下,使某些介質(zhì)的散射過程具有受激性質(zhì),便產(chǎn)生了受激拉曼散射(SRS),它擴(kuò)大了相干光輻射的物理機(jī)制,豐富了受激發(fā)射波長(zhǎng),開拓了強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用的新領(lǐng)域,提供了探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)的新途徑。SRS 的增強(qiáng)方式有很多種,如熒光增強(qiáng)、外部種子植入增強(qiáng)、電子吸收共振增強(qiáng)、過剩電子增強(qiáng)等,以上的增強(qiáng)方式我們組工作都有涉及。近些年,謝曉亮課題組在SRS 成像技術(shù)方面取得了新進(jìn)展。我們受其研究啟發(fā),又發(fā)展了外部共振增強(qiáng)、自共振增強(qiáng)和內(nèi)共振增強(qiáng)SRS 技術(shù),同時(shí)闡明了增強(qiáng)機(jī)理。

本文僅介紹外部共振增強(qiáng)SRS 技術(shù),其是利用強(qiáng)的泵浦激光和一束弱的可調(diào)諧的激光同時(shí)照射受激物質(zhì),兩束激光頻率差與要獲得分子振動(dòng)頻率一致,這時(shí)分子振動(dòng)與兩束激光形成共振,可以顯著降低物質(zhì)的SRS 閾值、增強(qiáng)SRS 強(qiáng)度。我們利用650 nm 的連續(xù)激光,大幅度增強(qiáng)了532 nm 激光激發(fā)的水分子O-H 伸縮振動(dòng)SRS。當(dāng)連續(xù)激光功率為1 mW 時(shí),在3405 cm-1處的O-H 拉伸振動(dòng)SRS 強(qiáng)度增加了約十個(gè)數(shù)量級(jí)。在加入連續(xù)激光后,水中出現(xiàn)兩個(gè)新的低頻肩峰。由于連續(xù)激光在焦點(diǎn)的熱效應(yīng),使得該峰向低波數(shù)移動(dòng)。連續(xù)激光不僅降低了水的SRS 的閾值,而且提高了水的SRS 強(qiáng)度。增強(qiáng)機(jī)制歸因于532 nm 泵浦激光器ωP和650 nm 連續(xù)激光器ωS之間的頻率差Δω=ωP-ωS與水分子的O-H 拉伸振動(dòng)頻率Ω 相匹配。因此,受激拉曼斯托克斯光束IS的強(qiáng)度獲得增益ΔIS(受激拉曼斯托克斯光束增益,SRG),受激拉曼泵浦光束IP的強(qiáng)度產(chǎn)生損耗ΔIP(受激拉曼泵浦光束損耗,SRL),從而實(shí)現(xiàn)了SRS 信號(hào)的增強(qiáng)。此實(shí)驗(yàn)為使用外部共振增強(qiáng)其他物質(zhì)中弱拉曼信號(hào)提供了可能性。

原子在強(qiáng)X射線激光場(chǎng)中的康普頓散射過程

石尚1,3, 楊玉軍2, 魏志義1,3, 王兵兵1,3

(1 中國(guó)科學(xué)院物理研究所光學(xué)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190;2 吉林大學(xué)原子與分子物理研究所, 吉林 長(zhǎng)春 130012;3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

采用以量子電動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的非相對(duì)論頻域理論,推導(dǎo)并計(jì)算了原子在X 射線激光場(chǎng)中的單光子及雙光子康普頓散射過程。我們的理論結(jié)果得到了最近實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的雙光子非線性康普頓散射的紅移現(xiàn)象,即散射幾率峰值處的散射光子能量明顯低于自由電子近似理論給出的預(yù)言值。分析表明,雙光子康普頓散射過程主要來(lái)自于入射光子與散射光子的模式躍遷以及激光場(chǎng)輔助下電子與散射光子的相互作用的貢獻(xiàn)。具體來(lái)說,由于躍遷過程滿足能量守恒,末態(tài)電子的動(dòng)能隨散射光子能量的增加而下降;又因?yàn)閰⑴c躍遷過程的是電子與多光子的糾纏態(tài),這些態(tài)的幾率幅值隨末態(tài)電子動(dòng)量的減小而減小,這樣的依賴關(guān)系使得散射光信號(hào)的峰值位置向更低頻區(qū)移動(dòng),從而造成紅移現(xiàn)象。我們的理論研究有助于通過康普頓散射探測(cè)原子內(nèi)部的能級(jí)結(jié)構(gòu)。

高效有機(jī)太陽(yáng)能電池中激子擴(kuò)散超快光譜學(xué)研究

張一偉, 張新平

(北京工業(yè)大學(xué)理學(xué)部微納信息光子技術(shù)研究所, 北京 100124)

有機(jī)太陽(yáng)能電池中,活性層吸收光子后產(chǎn)生激子,激子擴(kuò)散到給體、受體界面處實(shí)現(xiàn)分離,從而產(chǎn)生載流子,載流子傳輸?shù)诫姌O處被電極收集后產(chǎn)生光電流。其中激子擴(kuò)散是有機(jī)太陽(yáng)能電池產(chǎn)生光電流的重要環(huán)節(jié),對(duì)器件效率有重要影響。

本研究以時(shí)間分辨熒光光譜作為主要的研究工具,通過三種方法,分別研究了高效率有機(jī)太陽(yáng)能電池給體和受體材料中的激子擴(kuò)散過程。其中激子表面淬滅法是在交聯(lián)的富勒烯材料和石英襯底上分別制備相同厚度的有機(jī)半導(dǎo)體給體薄膜,通過測(cè)量在不同襯底上的熒光壽命,得出由激子擴(kuò)散導(dǎo)致的熒光淬滅,從而計(jì)算出激子的擴(kuò)散長(zhǎng)度。激子湮滅法是通過改變激發(fā)光的強(qiáng)度,調(diào)控產(chǎn)生的激子數(shù)量,大量激子由于擴(kuò)散過程產(chǎn)生相互碰撞,從而導(dǎo)致兩個(gè)激子湮滅成一個(gè),在超快光譜上表現(xiàn)為熒光壽命的降低。結(jié)合激子的擴(kuò)散方程即可計(jì)算出激子的擴(kuò)散長(zhǎng)度。體異質(zhì)結(jié)湮滅法是通過測(cè)量不同給體:受體配比的體異質(zhì)結(jié)的熒光壽命的不同,得出由于激子向給體、受體界面處擴(kuò)散導(dǎo)致的熒光壽命的降低,得出激子的擴(kuò)散長(zhǎng)度。此外,還利用瞬態(tài)吸收光譜研究了激子在給體、受體界面的分離過程。

壓縮超快成像技術(shù)與應(yīng)用研究進(jìn)展

齊大龍, 姚云華, 楊承帥, 曹烽燕, 姚佳麗, 張?jiān)姲?/p>

(華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200241)

壓縮超快成像(CUP)技術(shù)作為一種結(jié)合壓縮感知原理與時(shí)空偏轉(zhuǎn)成像技術(shù)的新型超快光學(xué)成像技術(shù),在單次曝光條件下最高可超過數(shù)十萬(wàn)億幀/秒的成像速度及數(shù)百?gòu)埑上駧瑪?shù)。主要圍繞該技術(shù)在圖像采集及圖像重構(gòu)兩方面的關(guān)鍵科學(xué)問題,分別介紹了通過算法優(yōu)化以及硬件改進(jìn)等方式對(duì)CUP 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的改進(jìn),以及該技術(shù)在四維超快光學(xué)成像、超快電子衍射及超快時(shí)空光場(chǎng)測(cè)量等方面的技術(shù)拓展及應(yīng)用。具體包括: 1)提出基于遺傳算法的反饋控制系統(tǒng)優(yōu)化CUP 采樣過程中的編碼方式,降低編碼矩陣與動(dòng)態(tài)場(chǎng)景之間的相關(guān)性,提高成像質(zhì)量,這一方案在實(shí)驗(yàn)上獲得了驗(yàn)證。2)在傳統(tǒng)CUP系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,提出了運(yùn)用電光晶體和CMOS 相機(jī)替代條紋相機(jī)的技術(shù)方案,一方面避免了條紋相機(jī)光子-電子-光子轉(zhuǎn)化過程中電子庫(kù)倫效應(yīng)引起的圖像畸變,另一方面降低了成像系統(tǒng)的建設(shè)成本。在實(shí)驗(yàn)上搭建了基于電光偏轉(zhuǎn)成像的壓縮超高速電光偏轉(zhuǎn)成像UEODI 系統(tǒng)。3)在傳統(tǒng)的CUP 系統(tǒng)中引入了色散元件,將CUP 系統(tǒng)的分辨能力從三維推進(jìn)到四維,搭建了具備光譜、空間和時(shí)間分辨的四維超快成像HCUP 系統(tǒng),并利用該系統(tǒng)觀測(cè)啁啾皮秒超快的光譜、空間和時(shí)間多維度演化以及飛秒光誘導(dǎo)的染料發(fā)光動(dòng)力學(xué)過程。4)將CUP 技術(shù)中光子編碼、偏轉(zhuǎn)疊加成像、計(jì)算重構(gòu)的思想應(yīng)用于超快電子衍射系統(tǒng)中,創(chuàng)造性地提出了基于電子編碼的壓縮超快電子衍射技術(shù)新方案。相比較于傳統(tǒng)基于泵浦探測(cè)的超快電子衍射技術(shù),新方案通過單次衍射成像,避免電子衍射系統(tǒng)中同步抖動(dòng)問題造成的信噪比和時(shí)間分辨能力降低問題。

Second harmonic generation-based joint transform correlator for human face and QR code recognitions

HONG Ling

(Xiamen University, Xiamen 361005, China)

We propose a nonlinear joint transform correlator (JTC) based on a joint power spectrum via second-harmonic generation(SHG)in the Fourier domain.The fundamental waves of 1064 nm infrared light illuminate the images displayed by a single spatial light modulator.After SHG in a type-II potassium titanyl phosphate crystal in the Fourier domain,the second-harmonic wave of 532 nm visible light yields the correlation signal.We demonstrate the performance of our SHG-based JTC for human face recognition and quick response code recognition.Our work has the potential in various optical information processing applications such as infrared pattern recognition and remote sensing,security verification,target tracking,and optical computing.

基于光熱非線性的微納硅結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)場(chǎng)高分辨成像

張?zhí)鞇? 車穎, 李向平

(暨南大學(xué)光子技術(shù)研究院, 廣東 廣州 511443)

硅光子學(xué)由于其在集成納米光學(xué)和全電介質(zhì)光學(xué)中的極大潛力,近年來(lái)引起了人們的廣泛關(guān)注。然而,由于硅的本征非線性較弱,限制了其在超小緊湊器件上主動(dòng)調(diào)控的應(yīng)用。本報(bào)告將介紹利用亞波長(zhǎng)硅結(jié)構(gòu)所支持的獨(dú)特的無(wú)極子(Anapole)電磁共振模態(tài),以及矢量光場(chǎng)對(duì)電磁模式的選擇性激發(fā)和靈活調(diào)控,可以有效地增強(qiáng)光熱非線性,相比于體硅材料,光熱非線性系數(shù)提高了3 到4 個(gè)數(shù)量級(jí)之多,從而使微納硅結(jié)構(gòu)光散射響應(yīng)表現(xiàn)出可逆非線性過程,并具有極大的全光調(diào)控范圍和接近100%的調(diào)制深度。利用激光共聚焦顯微系統(tǒng)對(duì)納米硅盤散射成像,能夠?qū)崿F(xiàn)亞波長(zhǎng)特征尺度的成像光斑,展示了對(duì)亞波長(zhǎng)硅結(jié)構(gòu)的精度高達(dá)40 nm 的遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨定位成像。

納米氧化鋅對(duì)細(xì)葉蜈蚣草光合作用的影響

徐長(zhǎng)山, 劉洋, 程亮, 劉曉男, 郭佳昕

(東北師范大學(xué)物理學(xué)院, 吉林 長(zhǎng)春 130024)

納米氧化鋅(ZnO NPs)現(xiàn)已被廣泛用于生產(chǎn)和生活中,然而,在使用過程中不可避免的會(huì)釋放在環(huán)境中,對(duì)生物體造成一定的影響。ZnO NPs 對(duì)生物體作用的研究已有許多,與其它毒性物質(zhì)協(xié)同作用的研究正受到更多的關(guān)注。本文以細(xì)葉蜈蚣草為受試植物,采用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)研究加入ZnO NPs 對(duì)細(xì)葉蜈蚣草光合作用動(dòng)力學(xué)特性的影響。實(shí)驗(yàn)中分別用去離子水、Cd2+溶液、ZnO NPs 和Cd2+混合溶液作對(duì)比,通過分析細(xì)葉蜈蚣草的熒光動(dòng)力學(xué)曲線發(fā)現(xiàn),用ZnO NPs 和Cd2+共同處理蜈蚣草時(shí),與單獨(dú)Cd2+溶液處理相比,ZnO NPs 的加入在一定程度上緩解了Cd2+對(duì)蜈蚣草光合機(jī)構(gòu)的損傷,改善了光合作用參數(shù)。加入ZnO NPs 后O-J-I-P 曲線的初始熒光斜率(M0)和J點(diǎn)相對(duì)熒光可變強(qiáng)度(Vj)與單獨(dú)Cd2+溶液處理相比均出現(xiàn)下降,與去離子水的對(duì)照組相比有上升趨勢(shì)。用ZnO NPs 和Cd2共同處理蜈蚣草時(shí),表征單位反應(yīng)中心吸收的光能(ABS/RC)和用于熱耗散的能量(DI0/RC)出現(xiàn)下降的趨勢(shì),并均高于去離子水對(duì)照組；用于表征電子傳遞的能量(ET0/RC)有所提升,說明ZnO NPs 增強(qiáng)了細(xì)葉蜈蚣草反應(yīng)中心之間的連通性,對(duì)光電子的傳遞起到了促進(jìn)作用;光合性能指數(shù)PIabs上升尤為明顯,達(dá)到了162%。這說明ZnO NPs 在提升細(xì)葉蜈蚣草對(duì)光能的利用率的同時(shí),改善了細(xì)葉蜈蚣草的整體光合性能。本文研究結(jié)果中ZnO NPs 對(duì)細(xì)葉蜈蚣草光合作用的影響及作用機(jī)制,對(duì)尋找緩解重金屬離子的植物毒性的有效途徑具有一定的意義。