基于科研实践能力培养的结构光学非互易实验教学研究

王志平,朱 强,马阳成,吕 亮,胡志家

(安徽大学 物理与光电工程学院,安徽 合肥 230601)

实验课程作为大学生的必修课,是教学的重要组成部分。在培养学生的科研动手能力、数据处理能力等方面发挥着重要作用[1]。实验教学也肩负着为国家培养有创新、有能力、有基础的科研人才的重任[2]。一直以来,我国高等教育的目标都注重基础知识和科研能力的培养[3]。为了应对当今科技的高速发展,满足‘新工科’建设下的人才培养要求,人才培养模式也要相应突破与革新,实验教学也要与最新的科研成果结合,要让学生积累科研经验,接触到学科前沿知识,充分调动学生主动学习的兴趣[4-7]。整个实验中从非互易机理,效果评价,现象解释等维度,展示了一种光学非互易装置,对‘新学科’背景下光电信息工程专业的学生从事科学研究有着很强的示范与启发作用。

光学非互易指的是光只能沿着正向传播,不允许光反向传播。法拉第磁光效应是典型的光学非互易效应[8]。但是,基于法拉第磁光效应实现的光学非互易存在两个问题。一方面利用法拉第效应需要搭配体积较大磁性晶体使用,这不利于集成光路;另一方面磁性晶体会形成较强的偏置磁场,对集成光路的敏感光电器件造成影响。为了扩大非互易器件的应用领域,我们提出了一种基于热原子系统的无磁涡旋光学非互易传输方案[9]。其中涡旋光是一种携带轨道角动量(OAM)的特殊光束,它具有相位结构螺旋分布、中心光强始终为零的特点[10]。

1 实验部分

1.1 三能级原子结构模型

考虑一个三能级V型原子结构,如图1所示。它包括一个基态|1〉,两个激发态|2〉和|3〉,分别对应铷-85D1和D2线超精细结构中|5S1/2,F=2〉,|5S1/2,F=4〉,|5P1/2,F=5〉。信号光用来耦合|1〉↔|3〉能级的跃迁,泵浦光耦合|1〉↔|2〉之间能级跃迁,其中信号光为涡旋光。

左图表示信号光和泵浦同向传输原子分布示意图,右图表示信号光和泵浦光反向传输原子分布示意图图1 能级图

1.2 实验装置

该实验装置图如图2所示,由两台激光器分别产生泵浦光和信号光。调节光路,使信号光和泵浦光入射到铷-85原子蒸汽气池中,并对信号光正向和反向传输情况进行探测。这里使用螺旋相位片让信号光变成涡旋光。由于涡旋光的强度分布呈现圆环形状,并随拓扑核数的增大,圆环半径越大,使得信号光与泵浦光作用效果减弱。对此,利用透镜,如图2所示,便可以将信号光聚焦在原子蒸汽池的中心,使得在铷-85原子蒸汽池中的信号光完全被泵浦光包裹,并与铷-85原子团充分作用。

Signal(780 nm):信号光(波长为780 nm),Pump(795 nm):泵浦光(波长为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):平透镜,Rb:铷-85原子系综。其中信号光正向传输时角向量子数为1=2,信号光由于镜面反射等角向量子数变为l=-2。图2 基于光泵效应的无磁涡旋光学非互易传输实验室装置图

在图2中,对于正向传输来说,由于信号光和泵浦光偏振正交,通过偏振分束器PBS1之后,两束光会进行合束。由于信号光是涡旋光,其角向量子数l=2,当发生反射,角量子数l=-2。因此,对于信号光反向传输经过螺旋相位片之后,还需要加一个反射镜使角向量子数变为l=-2。根据动量守恒条件,得出四波混频的最优相位匹配角度。使信号光和泵浦光产生1°左右的夹角,这样滤去除信号光之外的干扰光。该实验的设置参数为:螺旋相位片拓扑核数l=2,泵浦光的光束直径为0.8 mm,铷-85原子蒸汽气池为55 ℃

2 结果与讨论

2.1 信号光的失谐Δs对透过率的影响

首先将信号光调成扫频模式,如图3所示,分析失谐量对信号光传输的影响,其中红色曲线表示正向传输透过率,蓝色曲线表示反向传输隔离度。可以看出,当Δs处于±50 MHz范围内,信号光可以正向透过,并且信号光失谐Δ=0时,正向传输透过率最大,约为86%。而信号光反向传输时,改变失谐量Δs,并不会影响隔离度,这是由于产生了多普勒效应,原子感应信号光和泵浦光的频率有频率差,使泵浦光无法将铷-85原子泵浦到能级4上,信号光被铷-85原子吸收,最终无法穿过铷-85原子蒸汽池,产生反向隔离的效果。

Δs/MHz图3 正向和反向传输下信号光透过率与信号光的失谐Δs之间的关系

2.2 泵浦光的强度对信号光透过率的影响

如图4所示。当泵浦光的光功率低于15 mW时,随着泵浦光功率的增大,信号光的正向传输透过率随之增大。而当光功率增大到20～50 mW时,信号光正向传输的透过率变化相对较小,只有少许提升。产生这一现象的原因是泵浦光已经将铷-85原子极化到最大的耦合效率。即使再增加泵浦光的光功率,泵浦光和铷-85原子的作用也不会增强。由图4同样可以看出,泵浦光的光功率并不影响信号光反向传输时的隔离度。

Ip/mW(a) 正向和反向传输效率

总的来说,改变泵浦光的功率,通过其与原子团产生的光泵效应的效率,进而可以改变正向透过率。因此,当泵浦光以一定强度稳定输出时,可以产生高效率的非互易传输。并且,当泵浦光关闭时,信号光也可以反向传输,从非互易传输转为互易传输。

2.3 原子蒸汽池的温度对信号光传输透过率的影响

如图5所示。随着原子蒸汽池的温度逐渐由55 ℃加热至75 ℃,信号光的正向传输透过率却随之下降。

Ip/mW(a) 正向和反向传输效率

这是因为气体分子随着温度升高,导致原子与原子,原子与气池内壁的碰撞变得频繁,原子退相干加剧。而反向传输时,并不存在光泵效应,温度并不影响反向隔离度。可以得出,当铷-85原子气池的温度过高时,装置的非互易传输性能会受到影响。

3 结 论

本实验的光学非互易装置与学生熟悉的法拉第磁光效应不同,采用了热原子系统下无磁光学非互易方案。熟悉的功能,却是新结构和原理,是已知的知识的衍生拓展,为今后学生科研创新展示一种思路。在完成光路的搭建之后,分析影响信号光正向和反向传输的透过率和隔离度。分析了失谐,功率,温度对信号光传输的影响,对数据进行拟合,原因进行解释。装置总体上非互易性能较好,为今后光学非互易的实现控制有着参考作用,并在对学生科研思维和动手能力的培养有着一定的启发与锻炼作用。