王志平 吳偉 宋飛 王雨龍 王雨杭 王浩

摘 要 渦旋光具有獨特的強度和螺旋相位結構而備受人們的關注?；跍u旋光與銣原子相互作用，本文研究分析了入射光的頻率、拓撲核數(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。實驗結果表明這些參量可以實現(xiàn)對渦旋光空間分布的有效調制。我們的實驗探索能讓大學生對渦旋光有更深的理解，拓展他們的眼界。本實驗研究也將在大學物理實驗教學方面具有潛在的應用。

關鍵詞 渦旋光;螺旋相位板;大學物理實驗

渦旋光束[1]是一種攜帶軌道角動量（OAM）的光束，相位結構呈螺旋分布，在傳播過中，中心光強始終保持為零，同時光束中心相位不確定，具有相位奇點[2]。正因為渦旋光束空間上特殊的性質，使得其在光通訊[3]、光學精密測量[4]、光學捕獲、光學旋轉以及量子通信等領域具有很高的研究價值[5]。

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

當一束聚焦的OAM 光照射到粒子上，粒子會吸收光子和轉移OAM，OAM 的轉移使粒子獲得了一個扭矩從而使粒子圍繞某個點旋轉，一般稱為光學扳手。所以可以利用渦旋光束作為光學鑷子[6]或者光學扳手[7]來操縱粒子。近來，渦旋光與熱原子相互作用方面也引起人們的關注。如西安交通大學張彥鵬小組研究了光子帶隙結構中攜帶軌道角動量的渦旋六波混頻現(xiàn)象[8]，通過改變耦合場的功率得到了混頻場通過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問題[10]，利用銣原子蒸汽中傳輸?shù)姆蔷€性效應解釋了混合階矢量渦旋光在自由空間中傳輸時極化旋轉受限制的問題，并實現(xiàn)了混合階矢量渦旋光通過銣原子蒸汽時的極化分布調制。在上述工作的基礎之上，本文利用Sagnac環(huán)路制備了具有等量異號拓撲核數(shù)的疊加態(tài)渦旋光，經過與熱85Rb原子發(fā)生相互作用后，研究分析拓撲核數(shù)、入射光頻率以及偏振狀態(tài)等參量對渦旋能量分布和光束輪廓的影響。該實驗探索不僅能讓大學生對渦旋光有更深的理解，也有助于他們實驗動手能力，獨立學習能力，團隊協(xié)作能力以及創(chuàng)新思維能力的提升。

1 主要實驗儀器

1.1 螺旋相位板

螺旋相位板是厚度相對中心旋轉方位角成比例變化的透明板。當波束通過這個相位板時，由于相位板的螺旋面結構導致透射光束的光程差不同，引起相位的改變量也不同，從而產生一個具有螺旋相位的因子。讓光通過螺旋相位板不同的區(qū)域可以得到不同拓撲核數(shù)的渦旋光。

1.2 激光器

在實驗中采用Toptica公司生產的DL100型外腔式可調諧半導體激光器激光器，主要由驅動電路、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，通過調整光柵的角度可以微調波長和掃描。在實驗中激光器的工作波長為780nm。

1.3 相機式光束質量分析儀

Thorlabs相機式光束質量分析儀（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，最短曝光時間20μs。

2 實驗搭建

實驗裝置如圖1所示。利用螺旋相位板產生渦旋光束，通過Sagnac干涉儀制備初始軌道角動量和偏振的疊加態(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燒孔效應，由此我們可以得到介質原子能級的超精細結構。需要注意的是在圖1中沒有畫出飽和吸收光譜的光路，而是用激光器來代替通過飽和吸收光譜后產生的激光。

激光通過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改變入射光的功率;直接透過的是水平偏振光，透過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使拓撲核數(shù)l 變成-l，所以從環(huán)路出來的光具有等量異號的拓撲核數(shù)。接著被反射鏡反射后通過四分之一波片進入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與85Rb原子發(fā)生相互作用，最后經過熱原子輸出的渦旋光通過光束質量分析儀（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驗現(xiàn)象，在實驗過程中要注意當光入射到偏振分光棱鏡時要用光功率計測量功率，以保證被分開的水平偏振光和垂直偏振光的強度之比為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，以便在光束質量分析儀（CCD）中能觀察到更詳細的光束輪廓和更清晰的功率密度分布。為此我們在實驗中設計一個直角梯形環(huán)路，在此環(huán)路中兩條短的直角邊之間的長度加起來等于第三條直角邊的長度，然后把螺旋相位片放在直角梯形斜邊的中點位置，這樣就能確保經過螺旋相位片的兩束光的光程相等。

3 渦旋光的產生

實驗中采用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℃。分別調節(jié)入射光的頻率為384.22912THz和384.23215THz，讓光通過螺旋相位板不同的區(qū)域以便得到不同拓撲核數(shù)的疊加渦旋光，通過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，拓撲核數(shù)l=1時得到的圖像如圖2中（a）圖所示，入射的原高斯光束變成四片對稱的花瓣狀光斑，光束中心光強為零。當l=2、l=3、l=4時，分別對應圖2中的圖2（b）～（d）?？梢钥闯觯S著拓撲核數(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。瓣狀圖樣的數(shù)量n 與拓撲核數(shù)滿足n=2|l1-l2|的關系，其中l(wèi)1 和l2 分別是經過偏振分光棱鏡分束后的兩束光所帶的拓撲核數(shù)。

入射光頻率為384.23215THz時，拓撲核數(shù)分別為l=1、l=2、l=3、l=4 所得到的圖像對應于圖2（e）～（h）。與上面類似，隨著拓撲核數(shù)l 的增加，所形成的渦旋光的瓣數(shù)也隨之增加，瓣狀圖樣的數(shù)量依舊滿足n=2|l1-l2|的關系。與入射光頻率為384.22912THz時相比，入射光頻率在384.23215THz時與銣原子相互作用之后的出射光能量更強，說明頻率會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，為了進一步的了解偏振狀態(tài)對所產生的光斑的影響，我們在上面的實驗基礎上，在光束質量分析儀（CCD）之前加上一個偏振分光棱鏡（PBS），由于偏振分光棱鏡允許水平偏振光透過而反射垂直偏振光，故可以通過光束質量分析儀觀察到單一的水平偏振和垂直偏振。

同樣分別將頻率調至384.230406THz 和384.23215THz，調整螺旋相位板的位置使得拓撲核數(shù)l=4，控制入射光功率為5mW，原子氣室溫度為60℃，通過光束質量分析儀（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)下都是標準的圓環(huán)狀，但是等量異號拓撲核數(shù)的渦旋光疊加后變成花瓣狀的光斑，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，說明入射光頻率對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 實驗結果分析

在實驗中我們利用螺旋相位板產生渦旋光，并使用Sagnac干涉儀制備初始疊加態(tài)，研究了不同頻率、不同拓撲核數(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)對光束能量和光束輪廓的影響。結果表明，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變成花瓣狀，且瓣數(shù)會隨著拓撲核數(shù)的增加而增加，其瓣狀光斑的數(shù)量滿足n=2|l1-l2|的關系，其中l(wèi)1 和l2 分別是經過螺旋相位板后兩束光所帶的拓撲核數(shù)。85Rb的D2 線具有超精細的能級結構，入射光的頻率不同會導致原子躍遷能級的改變，這會影響原子對入射光束的吸收，進而導致能量分布不均勻，所以當改變入射光頻率時，相應的能量分布也會發(fā)生改變。當只有水平偏振或者垂直偏振時，其光束輪廓為標準的圓環(huán)狀，能量分布也較為均勻。當兩束具有等量異號拓撲核數(shù)的渦旋光疊加時，由于疊加后的渦旋光與熱85Rb原子相互作用，導致疊加的渦旋光輪廓變?yōu)榛ò隊?，同時引起其能量的重新分布?；跍u旋光特殊的能量和相位結構，相信其在光信息處理、光通信和量子信息等領域有重要的應用前景[11，12]。

5 渦旋光在物理實驗教學中的探究

大學物理實驗是一門重要的基礎課程，對培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W素養(yǎng)和創(chuàng)新實踐能力有著無可替代的作用，更為后續(xù)課程培養(yǎng)正確的學習態(tài)度奠定基礎。依托省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目，已有3名本科生（王雨龍，王雨杭，王浩）參與到本次實驗教學過程中來。通過該實驗的探索，他們從開始實驗時對實驗儀器不熟悉，基礎光路的搭建有困難，到實驗完成時已經可以熟練使用各種實驗室儀器設備，獨立完成光路搭建，實踐動手能力得到了極大地提高。從實驗選題到實驗搭建、方案改進、處理數(shù)據(jù)的過程中，他們在獨立學習能力、團隊協(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，這次實驗教學研究有效完善了對渦旋光的認知，彌補了理論教學過于固化的被動式學習，轉變了他們對實驗課程的態(tài)度，變被動接受為主動探索，使實驗過程從機械性的簡單重復走向更深層次的理解，有效提高了實驗教學效率。本文只是渦旋光在物理實驗教學研究中的一個初步探索，相信其會在未來大學物理專業(yè)實驗教學中有更廣泛的應用空間。

6 結語

近年來，依托國家一流學科建設的推進，安徽大學在光學專業(yè)實驗教學場地、專業(yè)實驗教學規(guī)模及專業(yè)實驗設備等方面都有很大的改觀。通過相關專業(yè)實驗研究在未來大學物理實驗教學中的探索和應用，將有助于激發(fā)本科生的學習興趣，提升他們對實驗儀器的認識和使用能力，增強同學們對渦旋光的理解。

參 考 文 獻

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