楊欣，潘楚榮，陳云，王金文，衛(wèi)棟，高宏

（西安交通大學(xué)物理學(xué)院物質(zhì)非平衡合成與調(diào)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陜西省量子光學(xué)與光電量子器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049）

0 引言

人類(lèi)對(duì)光的本質(zhì)及其與物質(zhì)相互作用的研究從很早以前就開(kāi)始了，由于物質(zhì)獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，可以在不同程度上改變光的行為，通過(guò)對(duì)入射和出射光束的觀察，唯象地建立起光與物質(zhì)相互作用的初步模型。但是早期的研究主要是對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的歸納與總結(jié)，并未涉及基本的物理過(guò)程和建立合理的理論框架。19世紀(jì)以前人們通過(guò)對(duì)光的探索，逐步建立起經(jīng)典的幾何光學(xué)與波動(dòng)光學(xué)［1-2］。直至20世紀(jì)初，光子的波粒二象性以及光與物質(zhì)相互作用的量子理論才逐漸被建立起來(lái)［3，4］。

1960年，梅曼在實(shí)驗(yàn)室成功產(chǎn)生人類(lèi)歷史上第一束激光，驗(yàn)證了1916年愛(ài)因斯坦關(guān)于激光的理論，并成為推動(dòng)現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的最偉大成就之一［5-8］。在此之后，幾乎所有光學(xué)相關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)都與激光有著千絲萬(wàn)縷的關(guān)系［9-11］：1981年激光光譜儀的開(kāi)發(fā)，改善了原有光譜技術(shù)在靈敏度和分辨率方面的不足；1997年原子的冷卻與捕獲，推動(dòng)了科研人員在冷原子領(lǐng)域取得新的進(jìn)展；2018年激光光鑷的發(fā)明，促進(jìn)了人們實(shí)現(xiàn)操縱原子、分子和生物細(xì)胞的發(fā)展。具體而言，光與物質(zhì)的相互作用，實(shí)質(zhì)上是組成物質(zhì)的微觀粒子吸收或輻射光子，同時(shí)改變自身相關(guān)屬性的表現(xiàn)。在現(xiàn)代物理體系中，光通常是指具有高相干特性與單色性的激光。自激光問(wèn)世以來(lái)，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)振幅、相位、偏振等不同自由度的靈活調(diào)控，成為相關(guān)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，有助于促進(jìn)光與物質(zhì)相互作用過(guò)程中新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及新應(yīng)用的發(fā)展。值得注意的是，振幅與相位描述的是光場(chǎng)傳播中波陣面上可用標(biāo)量數(shù)值所表示的信息，而偏振則是垂直于光場(chǎng)傳播方向上用矢量所表示的信息（電場(chǎng)矢量的振動(dòng)軌跡）。熟知的光場(chǎng)模式，例如厄米高斯模式［12］、拉蓋爾高斯模式［13］以及因斯高斯模式［14］，都是通過(guò)對(duì)標(biāo)量亥姆霍茲方程求解得來(lái)，且擁有特殊的空間振幅及相位分布。同時(shí)，它們具有一個(gè)共同的特點(diǎn)即偏振狀態(tài)在空間分布上是均勻的，可以通過(guò)光學(xué)元件轉(zhuǎn)換為線性偏振、圓偏振或橢圓偏振等任意均勻的偏振態(tài)。相對(duì)于標(biāo)量光場(chǎng)，1961年，SNITZER E 從理論上提出了一種空間偏振分布不均勻的電磁場(chǎng)模式［15］，即矢量光場(chǎng)（Vector Beams，VBs），同時(shí)也是滿足矢量亥姆霍茲方程的解［16］。1972年，POHL D 與MUSHIAKE Y 等分別在實(shí)驗(yàn)上產(chǎn)生了兩種具有特殊空間偏振分布的柱對(duì)稱(chēng)矢量光場(chǎng)：角向偏振矢量光場(chǎng)［17］與徑向偏振矢量光場(chǎng)［18］。然而，由于相關(guān)技術(shù)發(fā)展的局限性和對(duì)這類(lèi)特殊光場(chǎng)的特性認(rèn)識(shí)不足，此后近三十年的時(shí)間里，關(guān)于矢量光場(chǎng)相關(guān)研究的進(jìn)展非常緩慢［19-24］。

進(jìn)入21世紀(jì)，有關(guān)矢量光場(chǎng)的研究才逐步展開(kāi)?？蒲腥藛T在研究矢量光場(chǎng)的聚焦特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，非均勻偏振分布的矢量光場(chǎng)在焦場(chǎng)能夠產(chǎn)生很強(qiáng)的縱向電場(chǎng)分量［25-28］以及結(jié)構(gòu)化的橫向電場(chǎng)分量［29-31］，同時(shí)還可以得到更小的聚焦光斑［32］。同時(shí)，科研人員意識(shí)到矢量光場(chǎng)作為偏振態(tài)與軌道角動(dòng)量（Orbital Angular Momentum，OAM）的不可分離態(tài)［33］，是理解和類(lèi)比量子糾纏的有效工具［34］，也是編碼高維信息的理想載體［35-37］。綜上所述，矢量光場(chǎng)在經(jīng)典與量子通訊［38，39］、光學(xué)操控［40，41］和顯微成像［42，43］等領(lǐng)域具有重要的研究?jī)r(jià)值與廣泛的應(yīng)用前景。除此之外，在以往的光與物質(zhì)相互作用的研究中，所涉及的大多是偏振均勻分布的標(biāo)量光場(chǎng)，而矢量光場(chǎng)的非均勻偏振特性為光與物質(zhì)相互作用提供了更多的自由度，進(jìn)而豐富了光與物質(zhì)相互作用的全面性和多樣性。得益于科技進(jìn)步，矢量光場(chǎng)的產(chǎn)生方法目前已經(jīng)相對(duì)成熟，極大地促進(jìn)了矢量光場(chǎng)與物質(zhì)相互作用這一新興研究領(lǐng)域的發(fā)展［44，45］。堿金屬元素作為一類(lèi)光學(xué)活性介質(zhì)，其原子極化與光場(chǎng)的偏振狀態(tài)密切相關(guān)，是研究矢量光場(chǎng)與物質(zhì)相互作用的理想平臺(tái)。當(dāng)光場(chǎng)與原子介質(zhì)相互作用時(shí)，不但可以實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)結(jié)構(gòu)的調(diào)控，而且會(huì)導(dǎo)致原子介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)（或極化率）的改變，有效地使光場(chǎng)與原子介質(zhì)關(guān)聯(lián)在一起，而這些獨(dú)特的性質(zhì)在量子計(jì)算［46］、量子通訊［47，48］和量子精密測(cè)量［49-51］等領(lǐng)域都有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。本文回顧并總結(jié)了近年來(lái)矢量光場(chǎng)與堿金屬原子介質(zhì)相互作用的研究進(jìn)展，首先簡(jiǎn)單介紹了矢量光場(chǎng)的性質(zhì)，之后分別對(duì)矢量光場(chǎng)與原子介質(zhì)相互作用中的各向異性、量子相干性以及非線性效應(yīng)的相關(guān)工作進(jìn)行了概述與總結(jié)，最后對(duì)這一新興領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 矢量光場(chǎng)

矢量光場(chǎng)主要相對(duì)于標(biāo)量光場(chǎng)提出，其作為矢量亥姆霍茲方程的特解展示出了豐富的偏振信息以及特殊的焦場(chǎng)特性，在新型結(jié)構(gòu)光場(chǎng)構(gòu)建與調(diào)控、光與物質(zhì)相互作用領(lǐng)域有非常重要的應(yīng)用。矢量光場(chǎng)可以表示為兩個(gè)偏振正交且攜帶不同OAM 的兩個(gè)基矢的相干疊加。為了清楚表征矢量光場(chǎng)，研究人員基于Jones矩陣表示法、Stokes 參量法以及龐加萊球表示等多種通用方式分別對(duì)矢量光場(chǎng)進(jìn)行數(shù)學(xué)和幾何描述。

Jones 矩陣采用列向量實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)偏振的描述，傳統(tǒng)的柱矢量光場(chǎng)可以表示為攜帶不同OAM 的左旋與右旋圓偏振光的相干疊加，即

式中，l表示OAM 的拓?fù)浜蓴?shù)，φ表示極角。若兩光場(chǎng)的相對(duì)相位差不固定，則圖1 展示的是當(dāng)l=1 時(shí)，不同相對(duì)相位差下光場(chǎng)的偏振分布。近年來(lái)，隨著矢量光場(chǎng)的深入研究，科研人員發(fā)現(xiàn)可以靈活調(diào)節(jié)兩相干光場(chǎng)的振幅、相位以及OAM 的大小等參量實(shí)現(xiàn)各類(lèi)矢量光場(chǎng)的產(chǎn)生。

Stokes 參量主要指實(shí)驗(yàn)中光場(chǎng)偏振探測(cè)的可觀測(cè)量S0、S1、S2以及S3，其中S0表示光場(chǎng)的總體強(qiáng)度分布；S1表示光場(chǎng)豎直和水平偏振分量之差；S2表示對(duì)角和反對(duì)角偏振分量之差；S3表示左右旋偏振分量之差。實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)三個(gè)斯托克斯參量可以重構(gòu)任意光場(chǎng)的偏振分布。

1892年，PITZGERALD G M 提出利用球面表征光場(chǎng)偏振的方法［52］，該方法可以直觀地描述標(biāo)量光場(chǎng)的偏振態(tài)以及偏振態(tài)之間的轉(zhuǎn)化。近年來(lái)，研究人員通過(guò)類(lèi)比標(biāo)量龐加萊光場(chǎng)，發(fā)展并完善了描述矢量光場(chǎng)的高階龐加萊球［53-54］。相比于標(biāo)量龐加萊球，高階龐加萊球由偏振正交且攜帶OAM 的左右旋圓偏振基矢構(gòu)成。圖2 表示的是l=±l 的情況。兩正交基矢之間的相位差沿赤道逐漸變化，由該基矢組疊加而成的矢量光場(chǎng)偏振態(tài)也隨著赤道方向發(fā)生改變。

自矢量光場(chǎng)問(wèn)世以來(lái)，多數(shù)研究小組致力于其生成方式的研究，典型的生成方案主要有主動(dòng)和被動(dòng)法兩種。主動(dòng)產(chǎn)生方案指通過(guò)選擇合適腔鏡以及雙折射晶體，在激光器內(nèi)部通過(guò)模式選擇促使激光器以矢量模式輸出，該方式具有穩(wěn)定、高效等特點(diǎn)，但是不夠靈活，不易產(chǎn)生任意可調(diào)的矢量光場(chǎng)。被動(dòng)生成方案指在激光腔外對(duì)基模高斯光進(jìn)行調(diào)制，通過(guò)在光路中加載偏振調(diào)制器或者搭建干涉儀實(shí)現(xiàn)矢量光場(chǎng)的產(chǎn)生。該方案的產(chǎn)生效率依賴(lài)于光學(xué)元件，但是靈活多變，原理上可以得到任意空間偏振分布的矢量光束。

主動(dòng)生成方案：1972年，POHL D 等采用方解石晶體，通過(guò)搭建望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)以及光闌實(shí)現(xiàn)激光腔內(nèi)模式萃取，如圖3（a）所示［18］，通過(guò)調(diào)Q 開(kāi)關(guān)最終實(shí)現(xiàn)了徑向矢量光場(chǎng)的輸出。2005年，KOZAWA Y 通過(guò)在激光腔內(nèi)插入Brewster 鏡實(shí)現(xiàn)鏡像矢量光場(chǎng)模式輸出［55］，如圖3（b）所示。2007年，AHMED M A 小組采用多層圓形偏振光柵實(shí)現(xiàn)矢量光場(chǎng)的輸出，如圖3（c）［56］。2016年，NAIDOO D 等基于激光腔實(shí)現(xiàn)了高階矢量光場(chǎng)的高純度輸出［57］。如圖3（d）所示，該小組利用激光腔內(nèi)部的幾何相位并將光子偏振映射到OAM，從而證明標(biāo)準(zhǔn)激光腔可產(chǎn)生高純度的矢量渦旋光場(chǎng)。除此之外相關(guān)研究小組通過(guò)激光腔內(nèi)部搭建干涉儀實(shí)現(xiàn)矢量光場(chǎng)的直接輸出，如圖3（e）所示［58］。

被動(dòng)生成方案：在光學(xué)諧振腔外，通過(guò)搭建干涉光路、加載渦旋半波片（Q-plate），利用空間光調(diào)制器、數(shù)字微鏡以及超表面材料等方式實(shí)現(xiàn)矢量模式的輸出。Q-plate 是生成矢量光場(chǎng)的常用器件之一，它是一種快軸隨空間角向變化的光學(xué)元件［59］，該器件多采用光刻技術(shù)或液晶聚合物等微納加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)。圖4（a）為單一偏振光場(chǎng)經(jīng)過(guò)快軸周期性空間變化的Q-plate 后產(chǎn)生矢量光場(chǎng)。除此之外，Q-plate 也可以作為光子自旋角動(dòng)量（Spin Angular Momentum，SAM）到OAM 的轉(zhuǎn)換器件。干涉法主要針對(duì)矢量光場(chǎng)兩個(gè)相干基矢進(jìn)行操作，是指給兩路偏振正交的相干光束加載螺旋相位最終干涉生成矢量光場(chǎng)。2011年，南京大學(xué)王慧田教授團(tuán)隊(duì)采用空間光調(diào)制器產(chǎn)生OAM 光場(chǎng)模式，通過(guò)搭建雙路徑干涉實(shí)現(xiàn)了矢量光場(chǎng)的產(chǎn)生［60］。同年，MORENO I 等通過(guò)平行排列的空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)了任意空間偏振變化的光場(chǎng)［61］。2013年，MALUENDA D 團(tuán)隊(duì)通過(guò)搭建Mach-Zehnder 配置光路實(shí)現(xiàn)了任意光強(qiáng)分布以及任意偏振分布的矢量光場(chǎng)［62］。同年，詹其文教授團(tuán)隊(duì)利用空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)了任意矢量光場(chǎng)的產(chǎn)生，并且產(chǎn)生該光場(chǎng)的任意像素點(diǎn)都獨(dú)立可控［63］。2018年，趙建林教授研究團(tuán)隊(duì)基于分屏思想實(shí)現(xiàn)了任意矢量光場(chǎng)的高效產(chǎn)生［64］。通過(guò)干涉法產(chǎn)生任意矢量結(jié)構(gòu)光場(chǎng)的研究不勝枚舉，近年來(lái)，隨著新一代信息技術(shù)革新，空間矢量結(jié)構(gòu)光場(chǎng)帶來(lái)的新機(jī)遇與新挑戰(zhàn)使多數(shù)研究者致力于探索更為優(yōu)越的矢量光場(chǎng)生成方案。例如，基于分屏思想的高效矢量光場(chǎng)生成方案，如圖4（d）所示［65］；基于具有集成潛力的超表面的矢量光場(chǎng)產(chǎn)生方式［66］。矢量光場(chǎng)的測(cè)量技術(shù)作為檢測(cè)光場(chǎng)的關(guān)鍵技術(shù)具有重要研究意義，實(shí)驗(yàn)上通常采用斯托克斯參量法實(shí)現(xiàn)矢量光場(chǎng)偏振分量的測(cè)量［67-69］。多種產(chǎn)生以及測(cè)量方式的不斷演進(jìn)促使矢量光場(chǎng)在未來(lái)新技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域彰顯重大應(yīng)用前景［70-71］。

矢量光場(chǎng)具有自旋-軌道角動(dòng)量耦合的內(nèi)稟結(jié)構(gòu)以及獨(dú)特的焦場(chǎng)屬性，已在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。2009年，SZOPLIK T 研究小組利用矢量光場(chǎng)驗(yàn)證其在表面等離激元方面的應(yīng)用潛力［72］。2010年，王慧田教授研究團(tuán)隊(duì)將具有空間偏振分布的矢量光場(chǎng)應(yīng)用于光場(chǎng)微調(diào)控，并在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了矢量光場(chǎng)在粒子捕獲方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)［73］。2011年，HNATOVSKY C 等利用矢量光場(chǎng)在焦場(chǎng)的特殊極化分布，并通過(guò)矢量脈沖驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)性縱向電場(chǎng)對(duì)材料進(jìn)行微加工的可能性［74］。2010年，KWIAT P G 等通過(guò)雙折射晶體產(chǎn)生單光子源，并將單光子態(tài)編碼至光子SAM 和OAM，最后通過(guò)量子層析驗(yàn)證了單光子高維編碼的可能性［75］。關(guān)于矢量光場(chǎng)的產(chǎn)生方法、基本屬性和相關(guān)應(yīng)用，有興趣的讀者還可以參考其他較為全面的綜述文章［76-89］以及綜述中所引用的相關(guān)文獻(xiàn)。

2 調(diào)控原子介質(zhì)的空間各向異性

原子介質(zhì)在無(wú)外場(chǎng)作用下表現(xiàn)出各向同性，這里的外場(chǎng)是指光場(chǎng)、磁場(chǎng)或者微波場(chǎng)等。在外場(chǎng)的作用下，原子在不同能級(jí)的粒子數(shù)布居或不同原子的極化狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變，從而誘導(dǎo)原子介質(zhì)各向異性的發(fā)生，具體表現(xiàn)在對(duì)光場(chǎng)偏振依賴(lài)的吸收（二向色性）以及偏振依賴(lài)的色散（雙折射性）。其中典型的效應(yīng)有磁光效應(yīng)與光泵浦效應(yīng)，目前也已被廣泛應(yīng)用到了原子磁力計(jì)［90-92］和偏振選擇吸收光譜［93-95］等相關(guān)研究領(lǐng)域。值得注意的是，絕大多數(shù)的研究都是基于單一（均勻）的偏振光場(chǎng)與原子介質(zhì)相互作用，在時(shí)間頻率維度上探索介質(zhì)吸收或色散的變化。然而，當(dāng)引入空間偏振分布不均勻的矢量光場(chǎng)與原子介質(zhì)相互作用時(shí)，便可以從空間維度上探索介質(zhì)的各向異性，實(shí)現(xiàn)空間分布的原子極化。

在利用光場(chǎng)改變?cè)咏橘|(zhì)各向異性的工作中，最常用的是泵浦探測(cè)技術(shù)［96-98］。一束功率較強(qiáng)的泵浦光場(chǎng)誘導(dǎo)原子介質(zhì)的粒子數(shù)布居或自旋排列，同時(shí)利用同向或者反向傳播的探測(cè)光場(chǎng)（功率相比于泵浦光較弱）對(duì)介質(zhì)的各向異性進(jìn)行探測(cè)。需要說(shuō)明的是，泵浦光場(chǎng)的偏振狀態(tài)決定了相互作用中的量子化軸，對(duì)應(yīng)著原子的自旋排列，從而影響探測(cè)光場(chǎng)與原子介質(zhì)的相互作用，具體而言就是能級(jí)躍遷的選擇。此外，同向傳播的兩束光場(chǎng)之間的多普勒頻移可以相互抵消，然而在反向傳播中則需要考慮原子介質(zhì)不同運(yùn)動(dòng)方向下所引起的多普勒頻移，這將導(dǎo)致多個(gè)能級(jí)共同參與到相互作用中。這也是所有原子相關(guān)實(shí)驗(yàn)中，人們利用泵浦探測(cè)技術(shù)獲得原子介質(zhì)的飽和吸收光譜，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)激光頻率鎖定的常用方式［98-101］。因此，對(duì)于不同偏振組合、不同傳播方向的泵浦光場(chǎng)與探測(cè)光場(chǎng)，探測(cè)到時(shí)間與空間的響應(yīng)也有所不同。目前，關(guān)于利用單一偏振光場(chǎng)誘導(dǎo)原子介質(zhì)各向異性的研究已經(jīng)非常成熟，感興趣的讀者可以參考相關(guān)書(shū)籍［102-103］。接下來(lái)，本文將重點(diǎn)介紹近年來(lái)利用矢量光場(chǎng)調(diào)控原子介質(zhì)空間各向異性的相關(guān)工作進(jìn)展。

2011年，F(xiàn)ATEMI F K 等利用矢量光場(chǎng)在85Rb 原子介質(zhì)中基于反向傳播的泵浦探測(cè)技術(shù)探索了圓偏振依賴(lài)的空間二向色性［104］。實(shí)驗(yàn)中將激光頻率調(diào)節(jié)到相對(duì)于原子共振頻率紅失諧300 MHz 處，以消除多普勒運(yùn)動(dòng)下其他超精細(xì)能級(jí)的影響，從而實(shí)現(xiàn)近似二能級(jí)結(jié)構(gòu)的原子躍遷通道。當(dāng)較強(qiáng)泵浦光場(chǎng)的圓偏振分量將對(duì)應(yīng)空間位置處的原子布居到相應(yīng)的塞曼子能級(jí)上時(shí)，會(huì)導(dǎo)致對(duì)不同圓偏振探測(cè)光場(chǎng)的吸收或透射。正交的圓偏振光場(chǎng)具有相反的電矢量螺旋性，意味著光子攜帶相反的SAM。因此，在光泵浦效應(yīng)下的原子介質(zhì)展示出空間依賴(lài)的圓偏振二向色性，這一工作為實(shí)現(xiàn)基于原子介質(zhì)的圓偏振器件提供了有效參考。但該工作僅對(duì)透射光場(chǎng)的強(qiáng)度分布進(jìn)行了分析，對(duì)透射光場(chǎng)在其他自由度上所攜帶的信息仍然未知。此外，類(lèi)似的偏振依賴(lài)二向色性也可以在更復(fù)雜的開(kāi)放能級(jí)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)：通過(guò)利用原子運(yùn)動(dòng)下的多普勒效應(yīng)，泵浦光場(chǎng)與探測(cè)光場(chǎng)將分別耦合不同的原子躍遷能級(jí)［105］?；谶@項(xiàng)原理，本課題組在87Rb原子介質(zhì)中通過(guò)引入矢量光場(chǎng)并將激光頻率鎖定于交叉峰，在泵浦探測(cè)配置下分別實(shí)現(xiàn)了空間依賴(lài)的圓偏二向色性與線偏二向色性的探索［106-107］，實(shí)驗(yàn)裝置如圖5（a）所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，從原子介質(zhì)中透射的探測(cè)光場(chǎng)不僅僅在強(qiáng)度分布上發(fā)生改變，而且其整體偏振也正交于泵浦光場(chǎng)的偏振狀態(tài)。即與泵浦光場(chǎng)偏振相同的探測(cè)光場(chǎng)分量會(huì)被各向異性的原子介質(zhì)所吸收，而與泵浦光場(chǎng)偏振正交的部分則會(huì)無(wú)吸收地透過(guò)，該效應(yīng)被稱(chēng)為偏振依賴(lài)吸收?；谠咏橘|(zhì)中的偏振依賴(lài)關(guān)系，可以在原子介質(zhì)中利用泵浦探測(cè)技術(shù)模擬波片和偏振器組合，實(shí)現(xiàn)斯托克斯參量的測(cè)量［108］，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5（b）所示。這種方法不同于利用偏振器件的測(cè)量方案，從原子介質(zhì)中透射出的探測(cè)光場(chǎng)將保留所期望的偏振分布，這一點(diǎn)是無(wú)法直接在偏振器件中實(shí)現(xiàn)的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5（c）所示，利用這種基于原子介質(zhì)的測(cè)量方法對(duì)矢量光場(chǎng)的偏振基矢進(jìn)行提取時(shí)，不僅能夠保留基矢的螺旋相位，同時(shí)還能確保其SAM 不被破壞［109］。此外，空間各向異性還能夠應(yīng)用于空間信息的有效篩選與過(guò)濾中，并且具有較高的消光比［110］，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5（d）所示。

磁致旋光效應(yīng)是利用磁場(chǎng)誘導(dǎo)原子介質(zhì)產(chǎn)生各向異性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)偏振的調(diào)制［111］。當(dāng)一束功率較強(qiáng)的線偏振光在原子介質(zhì)中傳播時(shí)，在平行于光場(chǎng)的傳播方向上施加一縱向磁場(chǎng)，則光場(chǎng)偏振的方向?qū)l(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度與磁場(chǎng)強(qiáng)度以及相互作用長(zhǎng)度成正比。同時(shí)，光場(chǎng)偏振的旋轉(zhuǎn)方向取決于原子介質(zhì)的折射率與施加磁場(chǎng)的方向。具體而言，由于縱向磁場(chǎng)引起簡(jiǎn)并塞曼子能級(jí)的能級(jí)劈裂，造成了原子介質(zhì)對(duì)左右旋圓偏振分量隨光場(chǎng)頻率的非對(duì)稱(chēng)吸收，同時(shí)也改變了左右旋圓偏振分量的折射率并引入相位差，最終導(dǎo)致線偏振光場(chǎng)的偏振方向改變。

2015年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)史保森教授課題組利用矢量光場(chǎng)在87Rb 原子介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)了對(duì)縱向磁場(chǎng)的測(cè)量，并且提供了相應(yīng)的理論描述［112］，實(shí)驗(yàn)光路與結(jié)果如圖6（a）所示。實(shí)驗(yàn)中所使用的矢量光場(chǎng)在空間分布上為不同偏振角度的線偏振，因此在與原子介質(zhì)的相互作用中，可以分解為攜帶不同OAM 的左右旋圓偏振分量并分別與對(duì)應(yīng)的原子塞曼子能級(jí)相互作用。由于空間整體的線偏振發(fā)生了相同角度的旋轉(zhuǎn)，在投影測(cè)量下相應(yīng)的干涉圖案也會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明測(cè)量的精度為0.8 mG，有利于對(duì)弱磁場(chǎng)的有效檢測(cè)。2016年，LEVY U 等在85Rb 原子介質(zhì)中探索了偏振分布更為復(fù)雜的混合矢量光場(chǎng)在磁場(chǎng)作用下的磁光效應(yīng)［113］。實(shí)驗(yàn)中不僅在激光頻率共振情況下對(duì)圓偏雙折射性進(jìn)行了研究，同時(shí)也在激光頻率正負(fù)失諧處，研究了圓偏二向色性與圓偏雙折射性對(duì)矢量光場(chǎng)的共同作用，實(shí)驗(yàn)原理與結(jié)果如圖6（b）所示。除此之外，本課題組也在87Rb 原子介質(zhì)中利用磁光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)矢量光場(chǎng)的操控，特別是研究了動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)矢量光場(chǎng)的快速調(diào)控［114］。相關(guān)實(shí)驗(yàn)小組也利用其它堿金屬原子實(shí)現(xiàn)了原子光譜特性的探測(cè)以及原子極化的調(diào)制。2003年，ALHASAN A M 等利用雙色激光場(chǎng)耦合鈉原子并成功觀測(cè)到電磁誘導(dǎo)透明光譜，研究發(fā)現(xiàn)透射光譜位置不依賴(lài)于耦合場(chǎng)和信號(hào)場(chǎng)的強(qiáng)度［115］；2011年，PSRADHAN S 研究小組利用泵浦探測(cè)機(jī)制實(shí)現(xiàn)了銫原子吸收譜的觀測(cè)［116］；2017年，GOZZINI S 研究團(tuán)隊(duì)基于鉀原子介質(zhì)利用泵浦探測(cè)機(jī)制在Hanle 配置下實(shí)現(xiàn)了高對(duì)比度電磁誘導(dǎo)吸收，并且研究發(fā)現(xiàn)不同配置下，不同圓偏振光場(chǎng)將誘導(dǎo)不同的相干暗態(tài)或亮態(tài)［117］。除此之外，最近的理論工作也展現(xiàn)出原子介質(zhì)在實(shí)現(xiàn)矢量光場(chǎng)調(diào)控中的優(yōu)勢(shì)，例如利用LG 模式在非線性磁光旋轉(zhuǎn)效應(yīng)下產(chǎn)生可操控的矢量光場(chǎng)［118］，以及結(jié)合外部光場(chǎng)與磁場(chǎng)的共同作用從而實(shí)現(xiàn)對(duì)矢量光場(chǎng)偏振旋轉(zhuǎn)的多自由度操控［119］等。

3 基于相干效應(yīng)的矢量光場(chǎng)調(diào)控與應(yīng)用

原子介質(zhì)與光場(chǎng)相互作用時(shí)，光場(chǎng)耦合不同能級(jí)形成的躍遷通道之間會(huì)產(chǎn)生量子干涉效應(yīng)。干涉相長(zhǎng)或者相消取決于外部光場(chǎng)的相位或頻率，導(dǎo)致原子表現(xiàn)出集體自旋的效果，此時(shí)的狀態(tài)被稱(chēng)為原子自旋波，且具有相應(yīng)的振幅和相位。其中最為人們熟知的量子干涉效應(yīng)主要有電磁誘導(dǎo)透明（Electromagnetically Induced Transparency，EIT）［120］、受激絕熱拉曼轉(zhuǎn)換［121］、Hanle 效應(yīng)［122］與空間EIT［123］，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于光場(chǎng)的量子存儲(chǔ)［124］、高效粒子轉(zhuǎn)換［125］以及3D 磁場(chǎng)測(cè)量［126］等領(lǐng)域。然而，在利用光與原子相互作用的量子相干效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)調(diào)控方面，多數(shù)研究小組通常采用單路經(jīng)、單一偏振光場(chǎng)調(diào)節(jié)原子集體自旋進(jìn)而達(dá)到調(diào)控光場(chǎng)的目的。當(dāng)引入空間偏振非均勻的矢量光場(chǎng)時(shí)，便可以實(shí)現(xiàn)空間分布的原子自旋波。2006年，KARPA L 等在熱原子介質(zhì)中通過(guò)加載縱向梯度磁場(chǎng)，利用電磁誘導(dǎo)透明效應(yīng)制備原子自旋，檢索的信號(hào)光展示出微小偏移。該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電磁誘導(dǎo)透明機(jī)制中，具有非零磁矩的暗態(tài)極子的偏轉(zhuǎn)效應(yīng)［127］。而后，部分學(xué)者通過(guò)多種物理系統(tǒng)驗(yàn)證了原子集體自旋極化與電磁波相同的波動(dòng)與干涉行為，為光場(chǎng)的相干調(diào)控與應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

原子自旋波的時(shí)空干涉最早可以追溯到ARLT J 等的相關(guān)工作簡(jiǎn)報(bào)，他們利用相干脈沖激發(fā)里德堡原子，從而得到時(shí)域脈沖光場(chǎng)的干涉震蕩效應(yīng)。2008年，肖艷紅教授課題組基于熱原子介質(zhì)探索了原子自旋波的空間轉(zhuǎn)移特性［128］。實(shí)驗(yàn)將空間兩路獨(dú)立電磁誘導(dǎo)透明配置光路置于同一銣原子池，其中一路僅有控制光存在，通過(guò)EIT 存儲(chǔ)機(jī)制后，在兩條路徑同時(shí)檢索到了信號(hào)光存儲(chǔ)信號(hào)。不僅如此，他們通過(guò)改變存儲(chǔ)信號(hào)光的相位，在兩路徑同時(shí)觀測(cè)到了相同的輸出干涉信號(hào)，該實(shí)驗(yàn)直接驗(yàn)證了原子自旋波空間轉(zhuǎn)移的可能性。2016年，肖艷紅教授研究團(tuán)隊(duì)同樣通過(guò)搭建雙通路EIT 存儲(chǔ)驗(yàn)證了基于熱原子介質(zhì)由原子相干傳輸造成的反宇稱(chēng)-時(shí)間對(duì)稱(chēng)性［129］。實(shí)驗(yàn)報(bào)告了在熱原子蒸汽池中，通過(guò)飛行原子的快速相干輸運(yùn)導(dǎo)致兩個(gè)長(zhǎng)壽命原子自旋波之間的耗散耦合，進(jìn)而允許在相變閾值上觀測(cè)到反宇稱(chēng)-時(shí)間對(duì)稱(chēng)的基本特征。雖然上述工作均利用原子自旋波空間演化特性探索光場(chǎng)等的傳輸及演化特征，卻沒(méi)有有效利用結(jié)構(gòu)光場(chǎng)在構(gòu)建空間分布原子自旋波的優(yōu)越性。2015年，法國(guó)索邦大學(xué)LAURAT J 教授研究團(tuán)隊(duì)在冷原子系綜中利用矢量光場(chǎng)構(gòu)建雙路徑原子集體自旋，通過(guò)EIT 效應(yīng)將矢量光場(chǎng)刻錄至原子自旋波進(jìn)而實(shí)現(xiàn)矢量光場(chǎng)的高保真度存儲(chǔ)［130］，實(shí)驗(yàn)裝置與結(jié)果如圖7（a）所示。2019年，史保森教授研究小組利用熱原子系綜，采用同樣配置驗(yàn)證了矢量光場(chǎng)在熱原子介質(zhì)構(gòu)建空間分布原子自旋波的可能性［131］。值得注意的是，雖然LAURAT J 教授與史保森教授研究團(tuán)隊(duì)分別基于原子介質(zhì)完成了矢量光場(chǎng)構(gòu)建空間分布原子自旋波的可行性，但是兩個(gè)方案均通過(guò)光束位移器將矢量光場(chǎng)投影至兩偏振基矢進(jìn)行驗(yàn)證。本實(shí)驗(yàn)組也相繼開(kāi)展利用矢量光場(chǎng)直接探索原子相干轉(zhuǎn)移的可能性。2019年，本團(tuán)隊(duì)通過(guò)單束混合矢量光場(chǎng)直接觀測(cè)到量子相干增強(qiáng)［132］，該效應(yīng)直接造成矢量光場(chǎng)的特異性透射分布如圖7（b）所示。實(shí)驗(yàn)中，單束混合矢量光場(chǎng)直接經(jīng)過(guò)加載了縱向磁場(chǎng)的銣原子泡，通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)大小以及方向，觀測(cè)到混合矢量光場(chǎng)特異性的透射強(qiáng)度分布。通過(guò)對(duì)透射光場(chǎng)的強(qiáng)度分析得到了光場(chǎng)在磁場(chǎng)零點(diǎn)附近的透射峰分布，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)搭建雙通路單一偏振光實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種由于原子橫向漂移造成的相干增強(qiáng)效應(yīng)，并且該干涉效應(yīng)隨著兩路光場(chǎng)分離距離的增加而減小。

矢量光場(chǎng)作為光子SAM 與OAM 耦合的光場(chǎng)模式，其在構(gòu)造空間分布原子自旋波時(shí)扮演重要角色［133］。Hanle 效應(yīng)指單一線偏振光場(chǎng)經(jīng)過(guò)加載縱向磁場(chǎng)的原子介質(zhì)時(shí)形成的一種自誘導(dǎo)透明現(xiàn)象。當(dāng)磁場(chǎng)為零時(shí)，線偏振光場(chǎng)分解為左旋與右旋圓偏振基矢耦合原子不同基態(tài)與同一激發(fā)態(tài)，造成原子躍遷通道干涉相消，通過(guò)掃描磁場(chǎng)可直接觀測(cè)到Hanle 效應(yīng)透射峰。然而，當(dāng)磁場(chǎng)方向與光場(chǎng)偏振平行時(shí)，光場(chǎng)以原始偏振態(tài)耦合原子至相干暗態(tài)，造成光場(chǎng)透射增強(qiáng)；但是當(dāng)磁場(chǎng)方向與光場(chǎng)偏振垂直時(shí)，光場(chǎng)依然以左右旋圓偏振分量耦合原子，從而難以形成空間暗態(tài)造成光場(chǎng)透射減弱，這種效應(yīng)也被稱(chēng)為空間EIT。

2006年，BARREIRO S 等在實(shí)驗(yàn)中利用攜帶有不同OAM、偏振正交的兩光束觀測(cè)到了旋轉(zhuǎn)多普勒頻移，并且該頻移引起的光譜展寬隨著OAM 量子數(shù)的增大而不斷增加［133］。在該實(shí)驗(yàn)方案中，研究人員利用馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x構(gòu)建攜帶有不同OAM 的正交偏振光束疊加態(tài)，事實(shí)上該疊加態(tài)光束即為傳統(tǒng)意義上的矢量光場(chǎng)，這也是利用矢量光場(chǎng)與原子介質(zhì)實(shí)現(xiàn)相干調(diào)控的應(yīng)用。2015年，英國(guó)格拉斯哥大學(xué)Sonja 教授課題組基于冷原子系綜利用柱矢量光場(chǎng)觀測(cè)到了空間量子相干效應(yīng)，該效應(yīng)使得矢量光場(chǎng)與原子相互作用時(shí)展示了一種空間結(jié)構(gòu)性的暗態(tài)極子分布［123］。該小組采用Q-plate 產(chǎn)生空間偏振任意分布的矢量光場(chǎng)，并利用該光場(chǎng)作為探測(cè)光直接穿過(guò)加載了橫向磁場(chǎng)的冷銣原子介質(zhì)，通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)透射的矢量光場(chǎng)展示出了花瓣?duì)畹膹?qiáng)度分布，通過(guò)光場(chǎng)的花瓣形狀可以直觀地觀測(cè)到空間暗態(tài)極子的分布，如圖8（a）所示。2021年，該小組同樣利用矢量光場(chǎng)在冷原子介質(zhì)演示了空間EIT 關(guān)于磁場(chǎng)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方案［126］，在冷銣原子云中記錄結(jié)構(gòu)性的原子自旋極化，并記錄由此產(chǎn)生的吸收模式的圖像，進(jìn)而推導(dǎo)出外部磁場(chǎng)分布。這一效應(yīng)主要將原子拉莫進(jìn)動(dòng)時(shí)間測(cè)量中的瞬態(tài)效應(yīng)轉(zhuǎn)化至空間域，提出了利用矢量場(chǎng)探測(cè)磁場(chǎng)的新概念。2021年，本課題組將此效應(yīng)擴(kuò)展至熱原子系綜［134］。實(shí)驗(yàn)裝置如圖8（b）所示，實(shí)驗(yàn)采用Q-plate 產(chǎn)生徑向矢量光場(chǎng)直接注入加載了橫向和縱向磁場(chǎng)的熱銣原子泡，在縱向磁場(chǎng)調(diào)制下，矢量探測(cè)光僅僅展示了Hanle 吸收特性，即隨著縱向磁場(chǎng)的增加，透射光場(chǎng)的整體強(qiáng)度逐漸減弱。然而在橫向磁場(chǎng)調(diào)制下，光場(chǎng)偏振與磁場(chǎng)方向平行的部分透射增強(qiáng)，而光場(chǎng)偏振與磁場(chǎng)方向垂直的部分吸收增強(qiáng)。光場(chǎng)的強(qiáng)度分布表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)性的空間強(qiáng)度分布如圖8（b）所示，因而通過(guò)后場(chǎng)光場(chǎng)強(qiáng)度與強(qiáng)度位置分布可以直觀推斷出磁場(chǎng)的整體方向和大小，所以該實(shí)驗(yàn)在一定程度上可以視為磁場(chǎng)可視化測(cè)量的初步研究方案。

4 矢量光場(chǎng)的頻率轉(zhuǎn)換與傳輸

隨著現(xiàn)代光學(xué)的迅速發(fā)展，矢量光場(chǎng)的應(yīng)用范圍在逐步擴(kuò)展，在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的研究深度也在增加。目前，矢量光場(chǎng)的產(chǎn)生和調(diào)控大多依靠線性光學(xué)器件實(shí)現(xiàn)，這類(lèi)器件在偏振和空間模式上的調(diào)制受材料色散、光學(xué)損傷閾值以及波長(zhǎng)覆蓋范圍的影響，使產(chǎn)生的矢量光場(chǎng)處于特定的波長(zhǎng)范圍和輸出功率。近幾年，基于原子介質(zhì)和晶體介質(zhì)中的非線性頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程與光子學(xué)、量子光學(xué)、集成光子學(xué)的結(jié)合產(chǎn)生了許多獨(dú)特的光學(xué)現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)光場(chǎng)的研究為非線性頻率轉(zhuǎn)換注入了新的活力，同時(shí)也進(jìn)一步拓展了結(jié)構(gòu)光場(chǎng)的應(yīng)用范圍。比如結(jié)構(gòu)光場(chǎng)的引入實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波振幅、相位、偏振及頻譜等多自由度的調(diào)控。與集成光子學(xué)結(jié)合，在滿足器件小型化的同時(shí)，還可以極大地豐富光與物質(zhì)的相互作用。在量子光學(xué)領(lǐng)域，通過(guò)非線性參量下轉(zhuǎn)換可以實(shí)現(xiàn)單光子源的產(chǎn)生和操控。關(guān)于矢量光場(chǎng)與晶體介質(zhì)的非線性相互作用，國(guó)內(nèi)外相關(guān)課題組分別進(jìn)行了較為深入的探索與研究，例如史保森教授課題組［135］、上海交通大學(xué)陳險(xiǎn)峰教授課題組［136-138］、廈門(mén)大學(xué)陳理想教授課題組［139-140］、哈爾濱理工大學(xué)朱智涵教授課題組［141-143］以及巴西KHOURY A Z 教授課題組［144-145］等。最近，王慧田教授課題組基于周期性極化磷酸鈦鉀（Periodically Poled Potassium Titanyl Phosphate，PPKTP）晶體實(shí)現(xiàn)了矢量光場(chǎng)的三倍頻轉(zhuǎn)換［146］，哈爾濱理工大學(xué)朱智涵教授課題組則基于PPKTP晶體實(shí)現(xiàn)了任意矢量光場(chǎng)共形的參量上轉(zhuǎn)換［147］，對(duì)實(shí)現(xiàn)基于矢量光場(chǎng)的量子通訊接口有重要的研究?jī)r(jià)值。相較于晶體介質(zhì)，原子介質(zhì)具有較強(qiáng)的原子相干特性、高效的非線性過(guò)程、可操控的吸收和色散特性，同樣是用于產(chǎn)生、傳輸和操控光束的理想媒介?；谠咏橘|(zhì)既可以通過(guò)參量四波混頻過(guò)程產(chǎn)生不同波長(zhǎng)范圍的光場(chǎng)，還可以通過(guò)原子克爾效應(yīng)調(diào)控光場(chǎng)在介質(zhì)中的折射率，從而達(dá)到調(diào)控其非線性傳輸?shù)哪康?。接下?lái)，本文將重點(diǎn)介紹近年來(lái)利用原子介質(zhì)中參量多波混頻過(guò)程實(shí)現(xiàn)矢量光場(chǎng)非線性頻率及空間偏振模式轉(zhuǎn)換的相關(guān)工作進(jìn)展。

2012年，WALKER G 等在理論與實(shí)驗(yàn)上探索了銣原子介質(zhì)中光場(chǎng)的OAM 跨光譜相干轉(zhuǎn)換的物理規(guī)律［148］。在雙光泵浦以及相位匹配的條件下，他們發(fā)現(xiàn)兩束近紅外光場(chǎng)所攜帶的OAM 均會(huì)轉(zhuǎn)換到由參量四波混頻產(chǎn)生的相干藍(lán)光上。此外，通過(guò)疊加態(tài)的相干激發(fā)，他們還證明了參量過(guò)程產(chǎn)生的信號(hào)光的空間模式并非入射光場(chǎng)強(qiáng)度上的簡(jiǎn)單疊加產(chǎn)生，而是在相位匹配條件下由于相位相干導(dǎo)致量子干涉的結(jié)果。因此，該工作證明了基于堿金屬原子介質(zhì)的四波混頻過(guò)程具有極強(qiáng)的原子相干特性，同時(shí)也為原子介質(zhì)中矢量光場(chǎng)跨光譜的非線性頻率轉(zhuǎn)換提供了理論及實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。由于矢量光場(chǎng)可以表示為一對(duì)偏振正交且攜帶不同OAM 的基矢組成的疊加態(tài)，本課題組利用相位自穩(wěn)定的非線性Sagnac 干涉儀將入射的矢量光場(chǎng)態(tài)分解為水平和豎直且攜帶不同OAM 的兩個(gè)正交基矢態(tài)［149］，同時(shí)注入85Rb 蒸汽中參與自發(fā)四波混頻過(guò)程，在干涉儀的出射端口實(shí)現(xiàn)了矢量光場(chǎng)從近紅外波段到藍(lán)光波段的頻率轉(zhuǎn)換，實(shí)驗(yàn)裝置與對(duì)應(yīng)能級(jí)如圖9（a）和（b）所示。分布在高階龐加萊球赤道上且具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性的自旋-軌道耦合（Spin-Orbital Coupling，SOC）態(tài)［150，151］以及高階矢量光場(chǎng)非線性頻率轉(zhuǎn)換的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9（c）和（d）所示。引入偏振依賴(lài)的空間斯托克斯測(cè)量法［152］，重構(gòu)探測(cè)光與信號(hào)光SOC 態(tài)的密度矩陣并計(jì)算，一階SOC 態(tài)的平均保真度可達(dá)99.04%，二階SOC 態(tài)的平均保真度為98.27%。這意味著在矢量光場(chǎng)頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程中幾乎不改變光場(chǎng)原本的自旋-軌道耦合態(tài)，即產(chǎn)生的信號(hào)光場(chǎng)與入射的探測(cè)場(chǎng)在橫截面上的偏振態(tài)分布保持高度的一致性。除了自發(fā)四波過(guò)程實(shí)現(xiàn)矢量光場(chǎng)的非線性產(chǎn)生外，基于原子介質(zhì)中的受激參量四波混頻過(guò)程（吸收兩個(gè)強(qiáng)耦合光子，產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)光光子和一個(gè)共軛光光子）實(shí)現(xiàn)了弱信號(hào)矢量光場(chǎng)放大和相位共軛光場(chǎng)的產(chǎn)生［153］。此外，西北大學(xué)任兆玉教授課題組利用柱矢量光場(chǎng)對(duì)稱(chēng)且豐富的偏振分布，在原子介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定相位匹配條件以及單次掃描獲取偏振依賴(lài)響應(yīng)的簡(jiǎn)并多波混頻過(guò)程［154-155］。

與在自由空間中傳播不同，光場(chǎng)在非線性介質(zhì)中的傳輸過(guò)程除了要考慮光場(chǎng)本身的衍射之外，還需要考慮由光與介質(zhì)相互作用過(guò)程中導(dǎo)致的折射率變化，這種介質(zhì)折射率的改變將引起光場(chǎng)傳輸?shù)姆蔷€性特性，產(chǎn)生不同于自由空間傳播時(shí)的物理現(xiàn)象。例如，單模高斯型激光束在克爾介質(zhì)中傳輸時(shí)，由于光場(chǎng)橫截面上強(qiáng)度分布不同，造成折射率沿徑向非均勻分布，導(dǎo)致激光束在這種克爾介質(zhì)中傳輸時(shí)產(chǎn)生聚焦的過(guò)程，類(lèi)似于激光經(jīng)過(guò)透鏡的效果。該自聚焦過(guò)程與光場(chǎng)本身的衍射過(guò)程到達(dá)傳輸平衡態(tài)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生自陷效應(yīng)［156］?？臻g光孤子［157］的形成就是在該穩(wěn)定的自陷效應(yīng)下誘導(dǎo)激發(fā)。光束在非線性介質(zhì)中傳輸時(shí)的分裂、成絲現(xiàn)象對(duì)于研究空間光孤子以及利用光絲進(jìn)行激光加工等具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

除了光場(chǎng)非均勻強(qiáng)度可以引起介質(zhì)不同的非線性響應(yīng)之外，不同偏振態(tài)的光場(chǎng)在非線性介質(zhì)中傳輸時(shí)誘導(dǎo)產(chǎn)生的非線性效應(yīng)也不相同。例如，在克爾介質(zhì)中傳輸時(shí)，橢圓偏振光的兩個(gè)正交分量之間由于交叉相位調(diào)制將引入額外的非線性相移，導(dǎo)致出射場(chǎng)的偏振態(tài)發(fā)生改變［158］。橫截面上偏振非均勻分布的矢量光場(chǎng)在非線性介質(zhì)中的傳播也會(huì)引起光場(chǎng)呈現(xiàn)出相應(yīng)的非線性響應(yīng)。王慧田教授課題組研究了矢量光場(chǎng)在透明克爾介質(zhì)中傳輸時(shí)的非線性效應(yīng)［159］，如圖10（a）～（c）所示。在不考慮介質(zhì)吸收特性的非線性傳輸過(guò)程中，一階雜化偏振矢量光場(chǎng)在線偏振分布的位置處逐漸演化為穩(wěn)定C4l 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)，其中l(wèi)代表入射雜化矢量場(chǎng)的拓?fù)浜蓴?shù)。由于橫截面上不同的偏振態(tài)分布情況，雜化矢量場(chǎng)和柱矢量光場(chǎng)在是否引入隨機(jī)噪聲表現(xiàn)出不同的傳輸演化結(jié)果。2016年，BOUCHARD F 等發(fā)現(xiàn)相比于左右旋圓偏振入射的標(biāo)量光束，空間偏振不均勻分布的柱矢量光場(chǎng)在飽和克爾介質(zhì)中具有更穩(wěn)定的傳輸特性［160］，如圖11 所示。該現(xiàn)象是由于矢量光場(chǎng)兩個(gè)正交基矢之間存在交叉相位調(diào)制，抑制了光束在傳輸時(shí)分裂成絲的過(guò)程。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)高功率激光在非線性介質(zhì)中的穩(wěn)定傳輸具有重要意義。2018年，GIBSON C J 等基于原子介質(zhì)中光場(chǎng)非線性傳輸時(shí)的交叉相位調(diào)制效應(yīng)提出了一種全龐加萊球光場(chǎng)偏振態(tài)可控旋轉(zhuǎn)技術(shù)［161-162］，該技術(shù)的提出為矢量光場(chǎng)在光鑷、偏振成像等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論支撐。本課題組基于銣原子介質(zhì)中的交叉相位調(diào)制效應(yīng)，在實(shí)驗(yàn)上觀察到雜化偏振矢量光場(chǎng)在非線性傳輸過(guò)程中偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象［163］，如圖12（a）所示。通過(guò)控制相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件可以調(diào)節(jié)非線性作用的強(qiáng)弱，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)偏振態(tài)的可控旋轉(zhuǎn)。此外，如圖12（b）所示，本課題組在實(shí)驗(yàn)上利用傳輸過(guò)程的非線性效應(yīng)以及吸收效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了光場(chǎng)空間模式的可控分裂［164］，基于交叉相位調(diào)制，雜化矢量光場(chǎng)在傳輸?shù)某跏茧A段先聚焦到線偏位置，隨著傳輸過(guò)程聚焦和吸收達(dá)到平衡狀態(tài)，光束呈現(xiàn)出環(huán)狀結(jié)構(gòu)，該臨界狀態(tài)之后吸收效應(yīng)占主，光束演化到圓偏位置。近期的部分工作表明具有矢量偏振分布的光場(chǎng)在原子介質(zhì)中傳輸時(shí)可以有效抑制由非線性自相位調(diào)制引起的強(qiáng)度奇點(diǎn)現(xiàn)象［165］。該工作為光場(chǎng)在非線性介質(zhì)中的穩(wěn)定傳輸提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

5 總結(jié)與展望

近年來(lái)，矢量光場(chǎng)以其奇特的光場(chǎng)偏振、相位以及強(qiáng)度分布引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。隨著矢量光場(chǎng)的發(fā)展，矢量光場(chǎng)與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的新現(xiàn)象與新效應(yīng)在量子通信、粒子操控、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域展示出巨大的應(yīng)用潛力。本文回顧了基于原子介質(zhì)的矢量光場(chǎng)調(diào)控，主要包括基于原子空間極化實(shí)現(xiàn)矢量光場(chǎng)的強(qiáng)度、偏振以及多參量聯(lián)合調(diào)控；利用原子相干效應(yīng)實(shí)現(xiàn)矢量光場(chǎng)的相干調(diào)控以及應(yīng)用；基于原子介質(zhì)實(shí)現(xiàn)矢量光場(chǎng)的非線性傳輸與頻率轉(zhuǎn)換等相關(guān)研究。

未來(lái)關(guān)于矢量光場(chǎng)與原子介質(zhì)相互作用研究的主要趨勢(shì)體現(xiàn)在幾個(gè)方面：1）目前大多數(shù)的研究都是利用柱對(duì)稱(chēng)矢量光場(chǎng)來(lái)探索光與物質(zhì)的相互作用，其他類(lèi)型矢量光場(chǎng)的應(yīng)用仍有待探索，例如時(shí)空矢量光場(chǎng)、陣列矢量光場(chǎng)和特殊空間分布的矢量光場(chǎng)等［166-169］；2）目前關(guān)于相互作用的研究?jī)H僅涉及到較低激發(fā)態(tài)的原子和低階的極化率，探索矢量光場(chǎng)與高激發(fā)態(tài)原子的相互作用和對(duì)高階極化率的調(diào)控，對(duì)于原子物理的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)都具有重要的意義［170-172］；3）在非線性頻率轉(zhuǎn)換中，研究不同類(lèi)型矢量光場(chǎng)高效率、高階數(shù)以及寬波長(zhǎng)范圍的轉(zhuǎn)換是實(shí)現(xiàn)光互聯(lián)技術(shù)中量子接口的關(guān)鍵，例如中遠(yuǎn)紅外、極紫外和太赫茲波段等［173，174］?？傊P(guān)于矢量光場(chǎng)與原子介質(zhì)相互作用的研究正處于快速發(fā)展階段，矢量光場(chǎng)與原子介質(zhì)作用中的新效應(yīng)有望在未來(lái)科技發(fā)展中展現(xiàn)出重要的應(yīng)用價(jià)值。