王志平，余 超，宋 飛，華 辰，張正棚，李 帥，張智帥

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

不同于標(biāo)量光場，矢量空間光因其獨(dú)特的空間偏振態(tài)分布在空間光產(chǎn)生與調(diào)控方面有著重要的應(yīng)用前景和研究意義。研究人員在對矢量空間光的偏振態(tài)調(diào)控時(shí)發(fā)現(xiàn)其獨(dú)特的聚焦特性[1-3]，這在光學(xué)顯微技術(shù)[4]、量子信息[5]、光鑷[6]以及光學(xué)微操縱[7]等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。目前矢量空間光的產(chǎn)生方法主要分為主動(dòng)生成和被動(dòng)生成兩種方式，主動(dòng)生成是指直接對激光器諧振腔進(jìn)行設(shè)計(jì)輸出所需的矢量空間光[8-10]，其主要特點(diǎn)是效率高，但是只能輸出單一模式的矢量光。被動(dòng)生成是指在激光器的諧振腔外通過特殊的方法或者特殊的光學(xué)元件[11-13]進(jìn)行波前重構(gòu)，將激光器輸出的標(biāo)量光場轉(zhuǎn)化成矢量空間光。其中最典型的兩種矢量空間光分別為徑向偏振光場和角向(旋向)偏振光場[14]，其偏振方向在波陣面上分別是沿著半徑方向和垂直半徑方向。2009年Zhan[15]從數(shù)學(xué)角度結(jié)合實(shí)際應(yīng)用對矢量空間光進(jìn)行了詳細(xì)的描述。2011年，顧兵課題組等人[16]研究了在Kerr材料中柱對稱矢量光束的自衍射效應(yīng)，2016年進(jìn)一步的分析了混合偏振矢量空間光在Kerr材料中的偏振演化。南京大學(xué)丁劍平小組[17]、西北工業(yè)大學(xué)趙建林小組[18]以及南開大學(xué)王慧田課題組[19]等人在任意矢量空間光的產(chǎn)生、調(diào)控和應(yīng)用方面做了詳盡的研究。

在以上研究工作的基礎(chǔ)上，本文對激光器輸出的線偏振光通過特殊的光學(xué)元件進(jìn)行波前重構(gòu)，將標(biāo)量光場轉(zhuǎn)化為徑向偏振的矢量空間光然后與熱原子相互作用。實(shí)驗(yàn)中改變輸出激光與85Rb躍遷頻率的失諧，激光功率以及熱原子氣室溫度等參數(shù)來觀察矢量空間光經(jīng)過熱原子之后的能量的分布。

1 實(shí)驗(yàn)過程

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)中所使用的是Toptica生產(chǎn)的DL-100型外腔式可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，里面主要包含一個(gè)激光二極管、光柵以及驅(qū)動(dòng)電路，激光二極管用于輸出連續(xù)的窄線寬激光，這里輸出的是780 nm的激光，調(diào)整光柵的角度可以實(shí)現(xiàn)波長微調(diào)和掃描。渦旋波片作為一種新型光學(xué)器件在光學(xué)領(lǐng)域受到了越來越多的青睞，可以由具有雙折射特性的液晶或液晶聚合物配合先進(jìn)的光配技術(shù)制作得到，它的作用是可以生成矢量偏振光束和渦旋光束的光學(xué)元件。當(dāng)入射光的線偏振方向與0°快軸角度平行時(shí)生成的是徑向偏振光，入射光的線偏振方向與0°快軸角度垂直時(shí)生成的是角向偏振光，此時(shí)仍為平面波。若入射光與0°快軸角度呈一定角度，則出射光的偏振介于徑向偏振與角向偏振之間，光束結(jié)構(gòu)為環(huán)形，中心有暗斑。若入射光為圓偏振，渦旋波片可以將平面波轉(zhuǎn)換成渦旋波前并且光束轉(zhuǎn)變?yōu)橄喾吹钠駪B(tài)，以拓?fù)浜蓴?shù)m=1為例當(dāng)入射光左旋圓偏振光時(shí)，出射光為軌道角動(dòng)量l=-1的右旋渦旋光束，并且光束偏振態(tài)變?yōu)橛倚龍A偏振。入射光為右旋圓偏振光時(shí)，出射光為軌道角動(dòng)量l=1的左旋渦旋光束，偏振態(tài)變?yōu)樽笮龍A偏振。波長計(jì)選用的是德國Highfinesse WS6-200型號，主要用于脈沖和連續(xù)激光的測量，測量精度為200 MHz，數(shù)據(jù)的讀出通過USB接口連接到電腦，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速采集、波長監(jiān)控和激光頻率控制。Thorlabs的相機(jī)式光束質(zhì)量分析儀(CCD)分辨率為1 360×1 024像素、最短曝光時(shí)間20 μs、低噪聲：S/N≥62 dB、高靈敏度能夠捕獲更加詳細(xì)的光束輪廓并提供真實(shí)的光束功率密度分布二維分析。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

其中Laser為半導(dǎo)體激光器，HP為二分之一波片，PBS為偏振分束器，VHP為渦旋半波片，Atoms cell為銣原子氣室，CCD為光束質(zhì)量分析儀，Wavemeter為波長計(jì)，Coupler為耦合器，PC為電腦。右下角插圖為85Rb的D2線能級圖。

首先，搭建飽和吸收譜，為找到非線性銣(Rb)原子的共振頻率做準(zhǔn)備。主要利用到的是光學(xué)燒孔效應(yīng)，其原理是利用兩束光有強(qiáng)弱差異的單頻激光，其中強(qiáng)光作為泵浦光將介質(zhì)中與之頻率共振的原子從基態(tài)激發(fā)的激發(fā)態(tài)，再將另外一束弱的探測激光作為信號光與介質(zhì)中的泵浦光相互作用，這時(shí)基態(tài)上沒有原子對探測光吸收從而會(huì)在信號光的吸收譜形成一個(gè)凹陷。所以利用這個(gè)機(jī)制就可以得到介質(zhì)原子能級的精細(xì)結(jié)構(gòu)。在圖1中并沒有畫出飽和吸收譜的光路圖，而是用一個(gè)激光器來代替經(jīng)過飽和吸收光路產(chǎn)生的激光。

其次，將前面得到的線偏振激光通過二分之一玻片(HP1)和偏振分束器(PBS1)將線偏振光分為一束水平偏振光和一束垂直偏振光，把其中的垂直偏振光通過耦合器連接到波長計(jì)中，將波長計(jì)的輸出端接入電腦，當(dāng)在激光器上調(diào)諧頻率時(shí)就可以在電腦中顯示所需的頻率值，中間一組波片(HP2)和PBS2是為了在實(shí)驗(yàn)過程中改變?nèi)肷涔獾墓β?，然后水平偏振光通過渦旋半波片(VHP)和PBS3后進(jìn)入Rb原子氣室中，因?yàn)橥ㄟ^渦旋半波片后水平線偏振光會(huì)變成徑向的矢量偏振光所以透過PBS后含有不同的偏振分量從而發(fā)生干涉現(xiàn)象，Rb原子氣室放在一個(gè)溫控系統(tǒng)里方便控制氣室的溫度，最后經(jīng)過熱原子輸出的矢量渦旋光通過光束質(zhì)量分析儀(CCD)接入到電腦中觀察光場能量分布。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中選用的是85Rb的D2線(52S1/2→52P3/2)，它的躍遷頻率大約為384.230 406 THz，波長約為780.241 3 nm，同時(shí)控制激光的入射功率大約為5 mW，氣室的溫度在70 ℃，氣室端面距入射光的距離在20 cm處不變。通過調(diào)諧激光器得到如圖2(a),(b),(c)的頻率分別為384.228 61 THz，384.2287 2 THz，384.228 83 THz，頻率間隔約為110 MHZ。入射的基模高斯光場通過m=2的渦旋半波片后轉(zhuǎn)化為具有空間偏振態(tài)分布的矢量空間光場，最終矢量渦旋光經(jīng)過熱原子后被CCD獲取。通常從激光器出射的基模高斯光經(jīng)過熱原子后能量分布也是呈現(xiàn)出高斯分布，但是在這里從PC端顯示的光場能量分布圖可以發(fā)現(xiàn)，渦旋半波片調(diào)制得到矢量空間光場的能量分布呈現(xiàn)出四重旋轉(zhuǎn)對稱性的花瓣?duì)睿渲饕蚴菑较蚱竦氖噶繙u旋光透過PBS后含有不同的偏振分量，所以光束相互之間發(fā)生干涉。從圖2中發(fā)現(xiàn)不同的頻率失諧對能量分布是有一定的影響的，當(dāng)失諧接近共振頻率時(shí)，如圖2(c)中光場的能量分布均勻，其中當(dāng)激光頻率為384.228 72 THz時(shí)即圖2(b)發(fā)現(xiàn)每一片花瓣中的光場能量分布變得不均勻并且花瓣的形狀也發(fā)生改變。

圖2 頻率失諧對矢量空間光能量分布的影響

為了研究入射激光功率是否也會(huì)造成以上現(xiàn)象，通過調(diào)節(jié)第二個(gè)1/2波片來改變?nèi)肷涔獾墓β?，利用光功率?jì)測得功率分別為1 mW,5 mW,10 mW如圖3(a),(b),(c)，保持激光頻率在384.228 72 THz，氣室溫度為70 ℃，氣室端面距入射光的距離為20 cm不變。從圖3中可以看出入射光功率對能量分布的影響很小。

圖3 入射光功率對矢量空間光能量分布的影響

圖4研究的是入射光與氣室端面的距離對空間光場能量分布的影響，在實(shí)驗(yàn)中將氣室安裝在光學(xué)導(dǎo)軌上，通過移動(dòng)氣室來改變距離，CCD和PBS3之間的相對位置保持不變。圖4(a),(b),(c),(d)對應(yīng)的距離分別為3 cm，10 cm，20 cm,30 cm。其他參數(shù)分別為激光頻率384.228 72 THz，入射光功率5 mW，氣室溫度70 ℃，從圖中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，距離的變化也會(huì)對空間光場的能量分布產(chǎn)生影響。入射光與端面越遠(yuǎn)，在CCD中得到的花瓣能量減弱且分布不均勻同時(shí)花瓣也發(fā)生分離。

圖4 入射光到氣室端面的距離對矢量空間光能量分布的影響

如圖5研究的是氣室溫度的改變對空間光場能量的影響。通過溫控儀改變氣室的溫度，使溫度從65 ℃升高到72 ℃，每改變1 ℃記錄一次分別對應(yīng)(a)-(h)，其余參數(shù)分別為頻率384.228 72 THz，光功率5 mW，氣室端面與入射光之間的距離20 cm。從圖中可以很清晰的發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高一是強(qiáng)度減弱明顯，其次每一個(gè)花瓣的能量分布不均勻。

圖5 原子氣室溫度對矢量空間光能量分布的影響

3 結(jié)果討論與分析

在實(shí)驗(yàn)中把激光產(chǎn)生的線偏振光通過渦旋半波片轉(zhuǎn)換成一種徑向偏振的矢量空間光束，再將這種特殊偏振的矢量光束與熱原子進(jìn)行相互作用，研究了激光頻率、功率、入射光與銣原子氣室的距離以及氣室溫度對矢量空間光能量分布的影響。研究結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)中得到的矢量空間光能量分布具有四重旋轉(zhuǎn)對稱性，同時(shí)通過改變激光的頻率，對干涉圖中能量分布有很大的影響，這很好的顯示出光與熱原子之間的相互作用，然后又觀察到入射光的功率大小對矢量空間光能量分布的影響很微弱。進(jìn)一步，研究了入射光與氣室端面的距離和原子氣室溫度對矢量空間光能量分布的影響，發(fā)現(xiàn)距離增大和溫度升高都會(huì)造成干涉花瓣能量減弱和能量分布不均勻。通過以上的研究發(fā)現(xiàn)，由于矢量空間光特殊的空間結(jié)構(gòu)和偏振態(tài)分布，在與物質(zhì)相互作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生許多有趣的現(xiàn)象，這將在非線性光學(xué)、量子信息等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究中的探索

實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅是鞏固理論知識和加深對理論認(rèn)識的有效途徑，更是培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的高素質(zhì)工程技術(shù)人員的重要環(huán)節(jié)。在以上實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究中，已有四名本科生(華辰，張正棚，李帥，張智帥)參與到實(shí)驗(yàn)過程中來。通過本實(shí)驗(yàn)的探索，他們有效完善了對矢量光場的認(rèn)知，彌補(bǔ)了理論教學(xué)過于固化的被動(dòng)式學(xué)習(xí)，轉(zhuǎn)變了他們對實(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)過程從機(jī)械性的簡單重復(fù)走向根深層次的理解，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。本文通過引入量子光學(xué)前沿研究中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，使他們在實(shí)驗(yàn)過程中不僅完善了知識體系，也提高了學(xué)習(xí)能力，增強(qiáng)了他們的創(chuàng)新能力和解決問題的能力。

5 結(jié) 語

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，各行各業(yè)對復(fù)合型和創(chuàng)新型人才的需求，為本科專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量提出了更高要求和標(biāo)準(zhǔn)。近年來，依托國家一流學(xué)科建設(shè)的推進(jìn)，安徽大學(xué)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)場地、實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)模及實(shí)驗(yàn)設(shè)備等方面都有很大的改善。相信通過相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)研究在未來大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的推廣和探索，將有助于本科生更加直觀和深入地掌握相關(guān)知識和技能。