热原子系统中新型矢量空间光的产生及其在大学物理实验教学研究中的探索

王志平，余 超，宋 飞，华 辰，张正棚，李 帅，张智帅

(安徽大学 物理与光电工程学院，安徽 合肥 230601)

不同于标量光场，矢量空间光因其独特的空间偏振态分布在空间光产生与调控方面有着重要的应用前景和研究意义。研究人员在对矢量空间光的偏振态调控时发现其独特的聚焦特性[1-3]，这在光学显微技术[4]、量子信息[5]、光镊[6]以及光学微操纵[7]等领域有着重要的应用。目前矢量空间光的产生方法主要分为主动生成和被动生成两种方式，主动生成是指直接对激光器谐振腔进行设计输出所需的矢量空间光[8-10]，其主要特点是效率高，但是只能输出单一模式的矢量光。被动生成是指在激光器的谐振腔外通过特殊的方法或者特殊的光学元件[11-13]进行波前重构，将激光器输出的标量光场转化成矢量空间光。其中最典型的两种矢量空间光分别为径向偏振光场和角向(旋向)偏振光场[14]，其偏振方向在波阵面上分别是沿着半径方向和垂直半径方向。2009年Zhan[15]从数学角度结合实际应用对矢量空间光进行了详细的描述。2011年，顾兵课题组等人[16]研究了在Kerr材料中柱对称矢量光束的自衍射效应，2016年进一步的分析了混合偏振矢量空间光在Kerr材料中的偏振演化。南京大学丁剑平小组[17]、西北工业大学赵建林小组[18]以及南开大学王慧田课题组[19]等人在任意矢量空间光的产生、调控和应用方面做了详尽的研究。

在以上研究工作的基础上，本文对激光器输出的线偏振光通过特殊的光学元件进行波前重构，将标量光场转化为径向偏振的矢量空间光然后与热原子相互作用。实验中改变输出激光与85Rb跃迁频率的失谐，激光功率以及热原子气室温度等参数来观察矢量空间光经过热原子之后的能量的分布。

1 实验过程

如图1所示，实验中所使用的是Toptica生产的DL-100型外腔式可调谐半导体激光器，里面主要包含一个激光二极管、光栅以及驱动电路，激光二极管用于输出连续的窄线宽激光，这里输出的是780 nm的激光，调整光栅的角度可以实现波长微调和扫描。涡旋波片作为一种新型光学器件在光学领域受到了越来越多的青睐，可以由具有双折射特性的液晶或液晶聚合物配合先进的光配技术制作得到，它的作用是可以生成矢量偏振光束和涡旋光束的光学元件。当入射光的线偏振方向与0°快轴角度平行时生成的是径向偏振光，入射光的线偏振方向与0°快轴角度垂直时生成的是角向偏振光，此时仍为平面波。若入射光与0°快轴角度呈一定角度，则出射光的偏振介于径向偏振与角向偏振之间，光束结构为环形，中心有暗斑。若入射光为圆偏振，涡旋波片可以将平面波转换成涡旋波前并且光束转变为相反的偏振态，以拓扑荷数m=1为例当入射光左旋圆偏振光时，出射光为轨道角动量l=-1的右旋涡旋光束，并且光束偏振态变为右旋圆偏振。入射光为右旋圆偏振光时，出射光为轨道角动量l=1的左旋涡旋光束，偏振态变为左旋圆偏振。波长计选用的是德国Highfinesse WS6-200型号，主要用于脉冲和连续激光的测量，测量精度为200 MHz，数据的读出通过USB接口连接到电脑，可以实现数据的快速采集、波长监控和激光频率控制。Thorlabs的相机式光束质量分析仪(CCD)分辨率为1 360×1 024像素、最短曝光时间20 μs、低噪声：S/N≥62 dB、高灵敏度能够捕获更加详细的光束轮廓并提供真实的光束功率密度分布二维分析。

图1 实验装置图

其中Laser为半导体激光器，HP为二分之一波片，PBS为偏振分束器，VHP为涡旋半波片，Atoms cell为铷原子气室，CCD为光束质量分析仪，Wavemeter为波长计，Coupler为耦合器，PC为电脑。右下角插图为85Rb的D2线能级图。

首先，搭建饱和吸收谱，为找到非线性铷(Rb)原子的共振频率做准备。主要利用到的是光学烧孔效应，其原理是利用两束光有强弱差异的单频激光，其中强光作为泵浦光将介质中与之频率共振的原子从基态激发的激发态，再将另外一束弱的探测激光作为信号光与介质中的泵浦光相互作用，这时基态上没有原子对探测光吸收从而会在信号光的吸收谱形成一个凹陷。所以利用这个机制就可以得到介质原子能级的精细结构。在图1中并没有画出饱和吸收谱的光路图，而是用一个激光器来代替经过饱和吸收光路产生的激光。

其次，将前面得到的线偏振激光通过二分之一玻片(HP1)和偏振分束器(PBS1)将线偏振光分为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过耦合器连接到波长计中，将波长计的输出端接入电脑，当在激光器上调谐频率时就可以在电脑中显示所需的频率值，中间一组波片(HP2)和PBS2是为了在实验过程中改变入射光的功率，然后水平偏振光通过涡旋半波片(VHP)和PBS3后进入Rb原子气室中，因为通过涡旋半波片后水平线偏振光会变成径向的矢量偏振光所以透过PBS后含有不同的偏振分量从而发生干涉现象，Rb原子气室放在一个温控系统里方便控制气室的温度，最后经过热原子输出的矢量涡旋光通过光束质量分析仪(CCD)接入到电脑中观察光场能量分布。

2 实验结果

实验中选用的是85Rb的D2线(52S1/2→52P3/2)，它的跃迁频率大约为384.230 406 THz，波长约为780.241 3 nm，同时控制激光的入射功率大约为5 mW，气室的温度在70 ℃，气室端面距入射光的距离在20 cm处不变。通过调谐激光器得到如图2(a),(b),(c)的频率分别为384.228 61 THz，384.2287 2 THz，384.228 83 THz，频率间隔约为110 MHZ。入射的基模高斯光场通过m=2的涡旋半波片后转化为具有空间偏振态分布的矢量空间光场，最终矢量涡旋光经过热原子后被CCD获取。通常从激光器出射的基模高斯光经过热原子后能量分布也是呈现出高斯分布，但是在这里从PC端显示的光场能量分布图可以发现，涡旋半波片调制得到矢量空间光场的能量分布呈现出四重旋转对称性的花瓣状，其主要原因是径向偏振的矢量涡旋光透过PBS后含有不同的偏振分量，所以光束相互之间发生干涉。从图2中发现不同的频率失谐对能量分布是有一定的影响的，当失谐接近共振频率时，如图2(c)中光场的能量分布均匀，其中当激光频率为384.228 72 THz时即图2(b)发现每一片花瓣中的光场能量分布变得不均匀并且花瓣的形状也发生改变。

图2 频率失谐对矢量空间光能量分布的影响

为了研究入射激光功率是否也会造成以上现象，通过调节第二个1/2波片来改变入射光的功率，利用光功率计测得功率分别为1 mW,5 mW,10 mW如图3(a),(b),(c)，保持激光频率在384.228 72 THz，气室温度为70 ℃，气室端面距入射光的距离为20 cm不变。从图3中可以看出入射光功率对能量分布的影响很小。

图3 入射光功率对矢量空间光能量分布的影响

图4研究的是入射光与气室端面的距离对空间光场能量分布的影响，在实验中将气室安装在光学导轨上，通过移动气室来改变距离，CCD和PBS3之间的相对位置保持不变。图4(a),(b),(c),(d)对应的距离分别为3 cm，10 cm，20 cm,30 cm。其他参数分别为激光频率384.228 72 THz，入射光功率5 mW，气室温度70 ℃，从图中的实验结果来看，距离的变化也会对空间光场的能量分布产生影响。入射光与端面越远，在CCD中得到的花瓣能量减弱且分布不均匀同时花瓣也发生分离。

图4 入射光到气室端面的距离对矢量空间光能量分布的影响

如图5研究的是气室温度的改变对空间光场能量的影响。通过温控仪改变气室的温度，使温度从65 ℃升高到72 ℃，每改变1 ℃记录一次分别对应(a)-(h)，其余参数分别为频率384.228 72 THz，光功率5 mW，气室端面与入射光之间的距离20 cm。从图中可以很清晰的发现随着温度升高一是强度减弱明显，其次每一个花瓣的能量分布不均匀。

图5 原子气室温度对矢量空间光能量分布的影响

3 结果讨论与分析

在实验中把激光产生的线偏振光通过涡旋半波片转换成一种径向偏振的矢量空间光束，再将这种特殊偏振的矢量光束与热原子进行相互作用，研究了激光频率、功率、入射光与铷原子气室的距离以及气室温度对矢量空间光能量分布的影响。研究结果表明实验中得到的矢量空间光能量分布具有四重旋转对称性，同时通过改变激光的频率，对干涉图中能量分布有很大的影响，这很好的显示出光与热原子之间的相互作用，然后又观察到入射光的功率大小对矢量空间光能量分布的影响很微弱。进一步，研究了入射光与气室端面的距离和原子气室温度对矢量空间光能量分布的影响，发现距离增大和温度升高都会造成干涉花瓣能量减弱和能量分布不均匀。通过以上的研究发现，由于矢量空间光特殊的空间结构和偏振态分布，在与物质相互作用时会产生许多有趣的现象，这将在非线性光学、量子信息等领域有着重要的应用前景。

4 实验教学在大学物理实验教学研究中的探索

实验教学不仅是巩固理论知识和加深对理论认识的有效途径，更是培养具有创新意识的高素质工程技术人员的重要环节。在以上实验教学研究中，已有四名本科生(华辰，张正棚，李帅，张智帅)参与到实验过程中来。通过本实验的探索，他们有效完善了对矢量光场的认知，弥补了理论教学过于固化的被动式学习，转变了他们对实验课程的态度，变被动接受为主动探索，使实验过程从机械性的简单重复走向根深层次的理解，提高了实验教学效率。本文通过引入量子光学前沿研究中的一个实验，使他们在实验过程中不仅完善了知识体系，也提高了学习能力，增强了他们的创新能力和解决问题的能力。

5 结 语

随着社会的快速发展，各行各业对复合型和创新型人才的需求，为本科专业人才培养质量提出了更高要求和标准。近年来，依托国家一流学科建设的推进，安徽大学在实验教学场地、实验教学规模及实验设备等方面都有很大的改善。相信通过相关专业实验研究在未来大学物理实验教学中的推广和探索，将有助于本科生更加直观和深入地掌握相关知识和技能。