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(chǎng)，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(duì)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(duì)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(guò)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(chǎng)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(chǎng)和角向(旋向)偏振光場(chǎng)[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(duì)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(duì)稱(chēng)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(kāi)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(duì)激光器輸出的線(xiàn)偏振光通過(guò)特殊的光學(xué)元件進(jìn)行波前重構(gòu)，將標(biāo)量光場(chǎng)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(lái)觀(guān)察矢量空間光經(jīng)過(guò)熱原子之后的能量的分布。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)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(xiàn)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(zhǎng)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(lái)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(xiàn)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(xiàn)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(zhǎng)計(jì)選用的是德國(guó)Highfinesse WS6-200型號(hào)，主要用于脈沖和連續(xù)激光的測(cè)量，測(cè)量精度為200 MHz，數(shù)據(jù)的讀出通過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)計(jì)，Coupler為耦合器，PC為電腦。右下角插圖為85Rb的D2線(xiàn)能級(jí)圖。

首先，搭建飽和吸收譜，為找到非線(xiàn)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(cè)激光作為信號(hào)光與介質(zhì)中的泵浦光相互作用，這時(shí)基態(tài)上沒(méi)有原子對(duì)探測(cè)光吸收從而會(huì)在信號(hào)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(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)。在圖1中并沒(méi)有畫(huà)出飽和吸收譜的光路圖，而是用一個(gè)激光器來(lái)代替經(jīng)過(guò)飽和吸收光路產(chǎn)生的激光。

其次，將前面得到的線(xiàn)偏振激光通過(guò)二分之一玻片(HP1)和偏振分束器(PBS1)將線(xiàn)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(guò)耦合器連接到波長(zhǎng)計(jì)中，將波長(zhǎng)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(guò)程中改變?nèi)肷涔獾墓β?，然后水平偏振光通過(guò)渦旋半波片(VHP)和PBS3后進(jìn)入Rb原子氣室中，因?yàn)橥ㄟ^(guò)渦旋半波片后水平線(xiàn)偏振光會(huì)變成徑向的矢量偏振光所以透過(guò)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(guò)熱原子輸出的矢量渦旋光通過(guò)光束質(zhì)量分析儀(CCD)接入到電腦中觀(guān)察光場(chǎng)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(xiàn)(52S1/2→52P3/2)，它的躍遷頻率大約為384.230 406 THz，波長(zhǎng)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(guò)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(chǎng)通過(guò)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(chǎng)，最終矢量渦旋光經(jīng)過(guò)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(guò)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(chǎng)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(chǎng)的能量分布呈現(xiàn)出四重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性的花瓣?duì)?，其主要原因是徑向偏振的矢量渦旋光透過(guò)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(duì)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(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(guò)調(diào)節(jié)第二個(gè)1/2波片來(lái)改變?nèi)肷涔獾墓β?，利用光功率?jì)測(cè)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(duì)能量分布的影響很小。

圖3 入射光功率對(duì)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(duì)空間光場(chǎng)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(guò)移動(dòng)氣室來(lái)改變距離，CCD和PBS3之間的相對(duì)位置保持不變。圖4(a),(b),(c),(d)對(duì)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(lái)看，距離的變化也會(huì)對(duì)空間光場(chǎng)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(duì)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(duì)空間光場(chǎng)能量的影響。通過(guò)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(duì)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(duì)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(xiàn)偏振光通過(guò)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(duì)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(duì)稱(chēng)性，同時(shí)通過(guò)改變激光的頻率，對(duì)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(guān)察到入射光的功率大小對(duì)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(duì)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(guò)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(xiàn)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(shí)和加深對(duì)理論認(rèn)識(shí)的有效途徑，更是培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)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(guò)程中來(lái)。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)的探索，他們有效完善了對(duì)矢量光場(chǎng)的認(rèn)知，彌補(bǔ)了理論教學(xué)過(guò)于固化的被動(dòng)式學(xué)習(xí)，轉(zhuǎn)變了他們對(duì)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(guò)程從機(jī)械性的簡(jiǎn)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(guò)引入量子光學(xué)前沿研究中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，使他們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中不僅完善了知識(shí)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(wèn)題的能力。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)復(fù)合型和創(chuàng)新型人才的需求，為本科專(zhuān)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(lái)，依托國(guó)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(chǎng)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(guò)相關(guān)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)研究在未來(lái)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(guān)和深入地掌握相關(guān)知識(shí)和技能。