CN113376843A - 基于光学诱导原子晶格的可调涡旋阵列产生方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光通信技术领域，涉及一种基于光学诱导原子晶格的可调涡旋阵列产生方法和装置。方法包括以下步骤：S1、耦合光和输入光的频率分别失谐锁定在碱金属原子的D1和D2超精细结构跃迁线上；S2、使耦合光分为两束光，并以不同入射角从消偏振分束棱镜的入射面两侧入射至消偏振分束棱镜并分成四束，其中两束以夹角出射并沿传播方向上产生第一驻波场，另外两束光沿传播方向上产生第二驻波场，使第一驻波场方向旋转90°后，与第二驻波场合束并入射至碱金属蒸汽池，形成空间周期性调制的二维光学诱导原子晶格；S3、输入光经涡旋波片后，与耦合光形成的干涉驻波场对向重合入射至碱金属蒸汽池，经原子晶格衍射后输出涡旋阵列。本发明可动态产生和控制涡旋阵列。
Description
技术领域
本发明属于光通信技术领域，涉及一种基于光学诱导原子晶格的可调涡旋阵列产生方法和装置。
背景技术
涡旋光束具有螺旋相位波前和非零轨道角动量，目前在光镊、显微成像、量子计算以及光通信等领域有着广泛的应用。随着人们需求的进一步发展，单个涡旋光束已经远无法满足大数据存储容量和海量捕获能力的迫切要求，因此，由多个涡旋光束组成的涡旋阵列应运而生。相较于单涡旋光束，涡旋阵列近年来被广泛应用于多粒子捕获、快速微加工以及提升通信信道容量等领域。目前在光学领域有多种涡旋光阵列的产生方法，如干涉法、泰伯效应法、光楔衍射法、模式转换法、达曼光栅法、计算全息法、空间光调制法、超材料图案法等。其中利用达曼光栅以及一些特殊图案的超表面等产生等能量的涡旋阵列更为人们所关注，但是由于这些空间周期性结构制作较为复杂，一旦制成很难进行调节，使用这些方法产生的涡旋阵列是不可以调节的。利用空间光调制器构造的不同的衍射光栅是产生可调谐的涡旋阵列的有效方法，然而，通过这种方法所得到的阵列往往受衍射原则的限制，高衍射阶能量较低，并且空间光调制器调制的刷新速度相对较慢，这并不利于可调涡旋阵列在相关应用中的使用。
光学诱导原子晶格作为一种新型的全光介质，可以对输入的探测光进行高效灵活地全光快速分束。这种新型的原子光晶格是通过在原子介质中施加周期性调制光场诱导而成，并且基于电磁诱导透明机制，这种新型原子光晶格具有折射率动态可调的显著特点，从而使入射的光束输出成为强度和空间分布可控的阵列，在适当的系统参数下还可以获得强度分布为中空的阵列。同时，原子对光束快速的响应速度也使得阵列的刷新速度相较于传统方法提升一个数量级。这种利用光信号而不是电信号来处理光信号的方法也使得这种光晶格成为了新型全光器件的有效备选者。因此，光学诱导原子晶格可以作为生成可调光学涡旋阵列的合适选择。这种以光学诱导原子光晶格为介质所产生的涡旋阵列，拥有快速可调的优势，可有效应对更为严苛的实验需求。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于光学诱导原子晶格的可调涡旋阵列产生方法和装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于光学诱导原子晶格的可调涡旋阵列产生方法，包括以下步骤：
S1、耦合激光器和输入激光器的频率均失谐锁定在碱金属原子超精细结构跃迁线上；
S2、对耦合激光器输出的耦合光整形后，将其分为两束光，使这两束光以不同入射角从消偏振分束棱镜的入射面两侧入射至消偏振分束棱镜并分成四束，其中两束以夹角出射并相互干涉，沿传播方向上产生第一驻波场，另外两束光以同样夹角出射，沿传播方向上产生第二驻波场，使第一驻波场方向旋转90°后，使第一驻波场和第二驻波场重合并入射至碱金属蒸汽池，形成空间周期性调制的二维光学诱导原子晶格；
S3、使输入激光器输出的信号光经涡旋波片后，与耦合光形成的干涉驻波场对向重合入射至碱金属蒸汽池，经原子晶格衍射后输出涡旋阵列。
所述的一种基于光学诱导原子晶格的可调涡旋阵列产生方法，还包括以下步骤：
将输入激光器输出的信号光分出一部分，使其与经碱金属蒸汽池后输出的涡旋阵列发生干涉，通过光束质量分析仪检测输出的涡旋阵列。
所述夹角的范围为：0.2°到0.5°。
所述的一种基于光学诱导原子晶格的可调涡旋阵列产生方法，还包括以下步骤：
通过改变涡旋波片的来改变涡旋阵列的拓扑荷；
通过改变耦合光的拉比频率改变涡旋阵列的光强分布；
通过改变耦合光的功率来改变改变涡旋阵列的光强分布；
通过改变耦合光驻波场夹角大小，来改变涡旋阵列的间距。
所述碱金属蒸汽池内为铷原子，蒸汽池通过温控装置使其温度保持在106℃；
耦合激光器频率失谐锁定在铷原子5S1/2, F=2—5P1/2, F=3超精细结构跃迁线上，失谐量为-20~-60 MHz；
输入激光器频率失谐锁定在铷原子5S1/2, F=2—5P3/2, F=3超精细结构跃迁线上，失谐量为0~30MHz。
此外，本发明还提供了一种基于光学诱导原子晶格的可调涡旋阵列产生装置，包括：耦合激光器、输入激光器、整形棱镜、第一消偏振分束棱镜、第二消偏振分束棱镜、道威棱镜、第三消偏振分束棱镜、第四消偏振分束棱镜、涡旋波片、碱金属蒸汽池，
所述耦合激光器和输入激光器的频率均失谐锁定在碱金属原子超精细结构跃迁线上；
所述耦合激光器输出的耦合光经整形棱镜整形后，入射至第一消偏振分束棱镜并分为两束光，其中一束光以第一入射角入射至第二消偏振分束棱镜的入射面，另一束光以不等于第一入射角的第二入射角从第二消偏振分束棱镜的入射面另一侧入射，两束光经第二消偏振分束棱镜后分成四束，其中两束以夹角出射并相互干涉，沿传播方向产生第一驻波场，另外两束光以同样夹角出射，沿传播方向产生第二驻波场，第一驻波场经道威棱镜后，驻波场方向旋转90度，第一驻波场和第二驻波场经第三消偏振分束棱镜后入射至碱金属蒸汽池，形成空间周期性调制的二维方形光学诱导原子晶格；
所述输入激光器输出的信号光经涡旋波片后，与耦合光对向重合入射至碱金属蒸汽池，经碱金属蒸汽池输出涡旋阵列。
所述的一种基于光学诱导原子晶格的可调涡旋阵列产生装置，还包括第一分束器，第一半波片、第一四分之一波片、第四消偏振分束棱镜和光束质量分析仪；
所述输入激光器输出的信号光经第一分束器后分成两束，其中一束经第一半波片、第一四分之一波片、涡旋波片后入射至碱金属蒸汽池，经碱金属蒸汽池后入射至第四消偏振分束棱镜，另一束光被反射至第四消偏振分束棱镜后与其发射干涉，干涉信号被光束质量分析仪接收。
所述的一种基于光学诱导原子晶格的可调涡旋阵列产生装置，还包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜和第二半波片；
所述耦合激光器输出的耦合光经第一消偏振分束棱镜分成两束后，其中一束光以第一入射角直接入射至第二消偏振分束棱镜的入射面，另一束光依次经第一反射镜、第二反射镜反射后入射至第二消偏振分束棱镜；所述第一驻波场依次经第三反射镜、道威棱镜、第四反射镜后入射至第三消偏振分束棱镜，所述第二驻波场直接入射至第三消偏振分束棱镜，第一驻波场和第二驻波场经第三消偏振分束棱镜合束后，依次经第五反射镜、第四消偏振分束棱镜入射至碱金属蒸汽池；
所述第一分束器包括第三半波片和第一偏振分束棱镜；
所述输入激光器输出的信号光经第一分束器后分成两束后，另一束光依次经第六反射镜、第二半波片和第七反射镜后入射至第四消偏振分束棱镜。
所述夹角的范围为：0.2°到0.5°。
所述的一种基于光学诱导原子晶格的可调涡旋阵列产生装置，还包括：第一锁频分光器、第二锁频分光器、第一偏频饱和吸收光路和第二偏频饱和吸收光路；所述碱金属蒸汽池内为铷原子；
所述耦合激光器输出的耦合光经第一锁频分光器分出一部分光至第一偏频饱和吸收光路，第一偏频饱和吸收光路用于将耦合激光器的频率失谐锁定在铷原子5S1/2, F=2—5P1/2, F=3超精细结构跃迁线上；
所述输入激光器输出的耦合光经第二锁频分光器分出一部分光至第二偏频饱和吸收光路，第二偏频饱和吸收光路用于将输入激光器的频率失谐锁定在铷原子5S1/2, F=2—5P3/2, F=3超精细结构跃迁线上。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明提供了一种基于光学诱导原子晶格的可调涡旋阵列产生方法和装置，基于电磁诱导透明效应，利用原子的可重构特性，输入光场经过原子晶格后极化率可以被周期性的调制，因此可以产生不同强度与空间分布的涡旋阵列，克服了目前利用传统达曼光栅以及超表面等一些二维材料产生涡旋阵列不可调节的不足。
2、不同于传统衍射器件由于衍射限制造成的高衍射级衍射效率低的问题，本发明通过适当增加激光场到相应能级的失谐值，对输入光施加相位调制，可以明显的使阵列的能量分布由零级衍射向高阶衍射分布，在大功率耦合光作用的条件下，会出现零级衍射最弱的情况，即获得中空光强分布的涡旋阵列。极大的弥补了传统衍射器件以及基于空间光调制器产生涡旋阵列高能级衍射能量较低的问题。
3、同时，通过改变耦合光之间的夹角，可以对阵列中光束的位置进行微调，克服了基于材料的涡旋阵列光束位置不可改变的不足。
4、得益于原子的快速响应速度以及产生过程中全程光控光的全光操作，产生涡旋阵列的刷新速率比传统空间光调制器的调节速度快一个数量级，为在全光光通信中的超快调节涡旋阵列提供了条件。
综上所述，本发明基于二维光学诱导原子光晶格的非线性过程，提出了一种基于光学诱导原子晶格的可调涡旋阵列产生方法和装置，可与下一代全光量子器件相结合，进一步促进全光网络在原子系综中的建设。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于光学诱导原子晶格的可调涡旋阵列装置的结构示意图。
图2为本发明实施例中产生二维干涉驻波场的示意图。
图3为本发明实施例中产生的涡旋阵列，以及阵列与检测光束相互干涉的干涉条纹。
图4为本发明实施例中改变耦合光拉比频率得到的不同光强分布的涡旋阵列模拟图。
图5为本发明实施例中改变耦合光功率得到的不同光强分布的涡旋阵列。
图6为本发明实施例中改变两组相互干涉的耦合光夹角得到的不同阵列间距的涡旋阵列。
图中：1为耦合激光器，2为第四半波片，3为第二偏振分束棱镜，4为第八反射镜，5为第一偏频饱和吸收光路，6为输入激光器，7为第五半波片，8为第三偏振分束棱镜，9为第九反射镜，10为第二偏频饱和吸收光路，11为整形棱镜，12为第一消偏振分束棱镜，13为第一反射镜，14为第二反射镜，15为第二消偏振分束棱镜，16为第三反射镜，17为道威棱镜，18为第四反射镜，19为第三消偏振分束棱镜，20为第五反射镜，21为第三半波片，22为第一偏振分束棱镜，23为第一半波片，24为第一四分之一波片，25为涡旋波片，26为碱金属蒸汽池，27为第四消偏振分束棱镜，28为第六反射镜，29为第二半波片，30为第七反射镜，31为光束质量分析仪。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，本发明实施例一提供了一种基于光学诱导原子晶格的可调涡旋阵列产生装置，包括：耦合激光器1、输入激光器6、整形棱镜11、第一消偏振分束棱镜12、第二消偏振分束棱镜15、道威棱镜17、第三消偏振分束棱镜19、第四消偏振分束棱镜27、涡旋波片25、碱金属蒸汽池26。
具体地，本实施例中，所述耦合激光器1和输入激光器6的频率分别失谐锁定在碱金属原子的D1和D2超精细结构跃迁线上。
如图1~2所示，所述耦合激光器1输出的耦合光经整形棱镜11整形后，入射至第一消偏振分束棱镜12并分为两束光，其中一束光以第一入射角入射至第二消偏振分束棱镜15的入射面，另一束光以不等于第一入射角的第二入射角从第二消偏振分束棱镜15的入射面另一侧入射，两束光经第二消偏振分束棱镜15后分成四束，其中两束以夹角出射并相互干涉，沿第一传播方向产生第一驻波场，另外两束光以同样夹角出射，沿第二传播方向产生第二驻波场，第一驻波场经道威棱镜17后，驻波场方向旋转90度，第一驻波场和第二驻波场经第三消偏振分束棱镜19后入射至碱金属蒸汽池26，形成空间周期性调制的二维方形光学诱导原子晶格；所述输入激光器6输出的信号光经涡旋波片25后，与耦合光对向重合入射至碱金属蒸汽池26，经碱金属蒸汽池26输出涡旋阵列。如图2所示，本实施例中，第一传播方向是指z方向，第二传播方向是指y方向。
具体地，本实施例中，碱金属蒸汽池26为高温的原子蒸汽池，其温度为106℃，原子密度为8.78×1012cm-3。
本实施例中，将四束频率相同的高斯型耦合激光输入原子介质，其中两束以相对于z轴对称小角度入射并相互干涉，在沿x轴方向上产生一个驻波场，另外两束光以同样的方式在沿y轴方向上产生一个驻波场，两个互相垂直的驻波场在高原子密度铷原子蒸汽池进一步干涉，周期性操控原子介质折射率，形成空间周期性调制的二维方形光学诱导原子晶格。另一束光经过涡旋波片变为携带轨道角动量的涡旋光束，此光束通过蒸汽池中由耦合驻波场诱导形成的二维光学诱导原子晶格，从而操控输入光的光传输特性，实现多级离散衍射，产生方形涡旋阵列。
进一步地，如图1所示，本实施例的一种基于光学诱导原子晶格的可调涡旋阵列产生装置，还包括第一分束器，第一半波片23、第一四分之一波片24、第四消偏振分束棱镜27和光束质量分析仪31；所述输入激光器6输出的信号光经第一分束器后分成两束，其中一束经第一半波片23、第一四分之一波片24、涡旋波片25后入射至碱金属蒸汽池26，经碱金属蒸汽池26后入射至第四消偏振分束棱镜27，另一束光被反射至第四消偏振分束棱镜27后与其发射干涉，干涉信号被光束质量分析仪31接收。通过光束质量分析仪31，可以对涡旋阵列进行检测。
进一步地，如图1所示，本实施例的一种基于光学诱导原子晶格的可调涡旋阵列产生装置，还包括第一反射镜13、第二反射镜14、第三反射镜16、第四反射镜18、第五反射镜20、第六反射镜28、第七反射镜30和第二半波片29；所述耦合激光器1输出的耦合光经第一消偏振分束棱镜12分成两束后，其中一束光以第一入射角直接入射至第二消偏振分束棱镜15的入射面，另一束光依次经第一反射镜13、第二反射镜14反射后入射至第二消偏振分束棱镜15；所述第一驻波场依次经第三反射镜16、道威棱镜17、第四反射镜17后入射至第三消偏振分束棱镜19，所述第二驻波场直接入射至第三消偏振分束棱镜19，第一驻波场和第二驻波场经第三消偏振分束棱镜19合束后，依次经第五反射镜20、第四消偏振分束棱镜27入射至碱金属蒸汽池26。
进一步地，如图1所示，本实施例中，所述第一分束器包括第三半波片21和第一偏振分束棱镜22；所述输入激光器6输出的信号光经第一分束器后分成两束后，另一束光依次经第六反射镜28、第二半波片29和第七反射镜30后入射至第四消偏振分束棱镜27。
具体地，如图2所示，本实施例中，所述第一入射角和第二入射角的差值，即为产生驻波场的两束光的夹角值，具体地，本实施例中，夹角的取值范围为：0.2°到0.5°。
进一步地，如图1所示，本实施例提供的一种基于光学诱导原子晶格的可调涡旋阵列产生装置，还包括：第一锁频分光器、第二锁频分光器、第一偏频饱和吸收光路5和第二偏频饱和吸收光路10；所述耦合激光器1输出的耦合光经第一锁频分光器分出一部分光至第一偏频饱和吸收光路5，第一偏频饱和吸收光路5用于将耦合激光器1的频率失谐锁定在D1超精细结构跃迁线上，所述输入激光器6输出的信号光经第二锁频分光器分出一部分光至第二偏频饱和吸收光路10，第二偏频饱和吸收光路10用于将输入激光器6的频率失谐锁定在另一D2超精细结构跃迁线上。
进一步地，本实施例中，所述碱金属蒸汽池26内为铷原子；所述耦合激光器1所输出的激光频率线宽小于1MHz，波长为795 nm，输出的耦合光经第一锁频分光器分出一部分光至第一偏频饱和吸收光路5，第一偏频饱和吸收光路5用于将耦合激光器1的频率失谐锁定在铷原子5S1/2, F=2—5P1/2, F=3超精细结构跃迁线上，失谐量为-50 MHz。所述输入激光器6所输出的激光频率线宽小于1MHz，波长为780 nm，输出的耦合光经第二锁频分光器分出一部分光至第二偏频饱和吸收光路10，第二偏频饱和吸收光路10用于将输入激光器6的频率失谐锁定在铷原子5S1/2, F=2—5P3/2, F=3超精细结构跃迁线上，失谐量为20 MHz。其中，激光器相对于原子超精细结构跃迁线的失谐锁定可以通过声光调制器实现，具体锁定方法为本领域的常规方法，因此在此不做赘述。此外，耦合光的失谐在-20~-60MHz的范围内，输入光的频率失谐在0~30MHz的范围内，均可以实现本发明实施例的可调涡旋阵列的目的。为了满足电磁诱导透明条件，本实施例中，输入光和耦合光相对于上述能级的失谐量分别用△ i 和△ c 表示，则△ i 和△ c 应满足双光子失谐：-30MHz＜△ i +△ c ＜-20MHz。
具体地，本实施例中，第一锁频分光器包括第四半波片2和第二偏振分束棱镜3和第八反射镜4，第二锁频分光器包括第五半波片5第三第二偏振分束棱镜8和第九反射镜9。
本发明实现的关键是二维原子光晶格的构造，具体的，光束干涉形成二维驻波场的示意图如图2所示。经第一消偏振分束棱镜12分束后的椭圆形耦合光，在第二消偏振分束棱镜15处以小角度θ相互干涉形成沿x方向的干涉驻波场，并同时被第二消偏振分束棱镜15分为两束。其中一束经过道威棱镜17后驻波场旋转90°沿y方向。最后两个互相垂直的驻波场在第三消偏振分束棱镜19处汇合干涉，形成二维干涉场。所形成的二维驻波场的有效拉比频率为：
其中，
表示产生二维驻波场在坐标（x，y）处的有效拉比频率，Ωc表示耦合场的拉比频率，d x =d y =λc/(2sinθ)，为驻波场在x，y方向的光栅常数。因为在这里互相干涉的x, y方向的驻波场为一个驻波场经第二消偏振分束棱镜15分束分束后得到，除了驻波场的传播方向不同外，其余特征均相同，因此，d x =d y 。具体的，本实施案例所产生的涡旋阵列的强度分布I(x,y)可以通过远场衍射理论公式进行模拟：
其中k为入射光的波矢，F表示傅里叶变换，(x, y)是远场的坐标，（x’，y’）是晶格的坐标。
式（2）中，
表示输入涡旋光在坐标（x’，y’）位置的电场，其表达式为：
其中ω表示入射涡旋光光斑大小，
表示极坐标下的极径，
，φ表示极坐标下的极角，
，
表示拉盖尔多项式，p是径向拓扑荷(p=0)，l是拓扑荷。
式（2）中，
为输入涡旋光沿z方向传播在晶格表面(z=L)处的传输方程，其表达式为：
其中χ为系统的极化率，Im(χ)和Re(χ)分别为极化率的虚部与实部。L表示原子蒸汽池的长度。本实施例中，涉及的三能级V型系统的极化率可以表示为：
其中N为原子密度，ε0为真空介电常数，Δ i 和Δ c 分别为输入光和耦合光的失谐，γij=Γi+Γj(i,j=1,2,3，表示能级，1为能级5S1/2，F=2, 2为能级5P3/2， F=3, 3为能级5P1/2, F=3)，Γi为相应能级的衰减率。
表示1能级到2能级的跃迁偶极矩，ℏ表示约化普朗克常数。
本发明实施例基于锁定位置所需的目标频差，利用偏频饱和吸收光路分别为耦合光激光器和输入光激光器提供偏频频标，实现对两台激光器在V型能级结构下的所需频率调谐。本发明不仅限于V型原子能级结构，理论上适用于所有可以实现电磁诱导透明的能级。耦合光借助两步干涉光路形成二维方形干涉光场，注入高密度原子蒸汽气池，形成空间结构周期性调制的全光光学诱导原子晶格。输入光行波场经分束偏振棱镜分为两束，一束经过涡旋波片转化为涡旋光束，此光束对向耦合驻波光场注入原子蒸汽气池中，基于电磁诱导透明机制，被全光原子光晶格衍射为多级离散衍射，产生方形涡旋阵列。另一束光与产生的涡旋阵列相互干涉，通过干涉条纹的分叉数量，来检测阵列中每束光所携带的拓扑荷数。利用光束质量分析仪来实时监测衍射阵列以及干涉条纹，选择合适原子气池温度，激光场失谐等条件优化产生涡旋阵列，并通过调节激光光场功率以及干涉光场角度，来改变涡旋阵列中阵列光束的强度以及空间位置的分布，进一步获得所需要的涡旋阵列。
图3所示为实验观察到的产生的涡旋阵列以及其与检测光相干涉得到的干涉图样，这里通过涡旋波片25后的涡旋光束所携带的拓扑荷为1。可以看出，我们的方案获得了一个清晰的3×3的涡旋阵列，且通过干涉条纹可以看出，涡旋阵列中每个光束与初始入射光含有相同拓扑荷，说明本方案形成的涡旋阵列为单极涡旋阵列。
实施例二
本发明实施例二提供了一种基于光学诱导原子晶格的可调涡旋阵列产生方法，包括以下步骤：
S1、耦合激光器和输入激光器的频率均失谐锁定在碱金属原子超精细结构跃迁线上；
S2、对耦合激光器输出的耦合光整形后，将其分为两束光，使这两束光以不同的入射角从消偏振分束棱镜的入射面两侧入射至消偏振分束棱镜并分成四束，其中两束以夹角出射并相互干涉，沿传播方向上产生第一驻波场，另外两束光以同样夹角出射，沿传播方向上产生第二驻波场，使第一驻波场方向旋转90°后，使第一驻波场和第二驻波场重合并入射至碱金属蒸汽池26，形成空间周期性调制的二维方形光学诱导原子晶格；
S3、使输入激光器输出的信号光经涡旋波片后，与耦合光对向重合入射至碱金属蒸汽池26，经碱金属蒸汽池26输出涡旋阵列。
具体地，本实施例提供的一种基于光学诱导原子晶格的可调涡旋阵列产生方法，还包括以下步骤：将输入激光器6输出的信号光分出一部分，使其与经碱金属蒸汽池26后输出的涡旋阵列发生干涉，通过光束质量分析仪检测输出的涡旋阵列。
具体地，本实施例中步骤S2中，入射到消偏振分束棱镜的两束光的入射角的差即为发生干涉形成驻波场的两束光的夹角，本实施例中，所述夹角的范围为：0.2°到0.5°。
具体地，本实施例中，所述碱金属蒸汽池26内为铷原子；本实施例中，耦合激光器频率失谐锁定在铷原子5S1/2, F=2—5P1/2, F=3超精细结构跃迁线上，失谐量范围可以为-20~-60 MHz；输入激光器频率失谐锁定在铷原子5S1/2, F=2—5P3/2, F=3超精细结构跃迁线上，失谐量范围可以为0~30MHz。为了满足电磁诱导透明条件，本实施例中，输入光和耦合光相对于上述能级的失谐量分别用△ i 和△ c 表示，则△ i 和△ c 应满足双光子失谐：-30MHz＜△ i +△ c ＜-20MHz。
进一步地，本实施例的一种基于光学诱导原子晶格的可调涡旋阵列产生方法，还包括以下步骤：
通过改变涡旋波片的来改变涡旋阵列的拓扑荷；
通过改变耦合光的拉比频率改变涡旋阵列的光强分布；
通过改变耦合光的功率来改变改变涡旋阵列的光强分布；
通过改变耦合光驻波场夹角大小，来改变涡旋阵列的间距。
图4所示，为本发明实施例中，在适当的实验参数条件下通过改变耦合光拉比频率得到的不同光强分布的涡旋阵列模拟图。其中耦合和输入激光的失谐分别为-28MHz和15MHz，三个图对应的耦合光拉比频率分别为6MHz，10MHz以及15MHz。可以看出，随着耦合光拉比频率的增加，产生的涡旋阵列强度分布逐渐由零级衍射转移到高阶衍射，并且会出现零级强度小于高阶强度的中空涡旋阵列情况。
进一步的，图5为在耦合光功率分别为15mW，40mW以及60mW情况下，实验得到的不同光强分布的涡旋阵列。可以看出，实验的结果与理论模拟基本吻合，在大的耦合光光强条件下，实验得到了强度分布呈中空分布的涡旋阵列。
图6所示为两组互相干涉形成驻波场的耦合光夹角分别为0.44°，0.36°以及0.28°时得到的不同阵列间距的涡旋阵列，可以看出，随着耦合光夹角的减小，阵列间距不断增大，在合适的参数范围内，利用本发明产生涡旋阵列的阵列间距也可以进行微调以满足具体的使用需要。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种基于光学诱导原子晶格的可调涡旋阵列产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、耦合激光器和输入激光器的频率均失谐锁定在碱金属原子超精细结构跃迁线上；
S2、对耦合激光器输出的耦合光整形后，将其分为两束光，使这两束光以不同的入射角从消偏振分束棱镜的入射面两侧入射至消偏振分束棱镜并分成四束，其中两束以夹角出射并相互干涉，沿第一传播方向上产生第一驻波场，另外两束光以同样夹角出射，沿第二传播方向上产生第二驻波场，使第一驻波场方向旋转90°后，使第一驻波场和第二驻波场重合并入射至碱金属蒸汽池（26），形成空间周期性调制的二维光学诱导原子晶格；
S3、使输入激光器输出的信号光经涡旋波片后，与耦合光对向重合入射至碱金属蒸汽池（26），经碱金属蒸汽池（26）输出涡旋阵列。
2.根据权利要求1所述的一种基于光学诱导原子晶格的可调涡旋阵列产生方法，其特征在于，还包括以下步骤：
将输入激光器（6）输出的信号光分出一部分，使其与经碱金属蒸汽池（26）后输出的涡旋阵列发生干涉，通过光束质量分析仪检测输出的涡旋阵列。
3.根据权利要求1所述的一种基于光学诱导原子晶格的可调涡旋阵列产生方法，其特征在于，所述夹角的范围为：0.2°到0.5°。
4.根据权利要求1所述的一种基于光学诱导原子晶格的可调涡旋阵列产生方法，其特征在于，还包括以下步骤：
通过改变涡旋波片的来改变涡旋阵列的拓扑荷；
通过改变耦合光的拉比频率改变涡旋阵列的光强分布；
通过改变耦合光的功率来改变改变涡旋阵列的光强分布；
通过改变耦合光驻波场夹角大小，来改变涡旋阵列的间距。
5.根据权利要求1所述的一种基于光学诱导原子晶格的可调涡旋阵列产生方法，其特征在于，所述碱金属蒸汽池（26）内为铷原子；
耦合激光器频率失谐锁定在铷原子5S1/2, F=2—5P1/2, F=3超精细结构跃迁线上，失谐量为-20~-60 MHz；
输入激光器频率失谐锁定在铷原子5S1/2, F=2—5P3/2, F=3超精细结构跃迁线上，失谐量为0~30MHz。
6.一种基于光学诱导原子晶格的可调涡旋阵列产生装置，其特征在于，包括：耦合激光器（1）、输入激光器（6）、整形棱镜（11）、第一消偏振分束棱镜（12）、第二消偏振分束棱镜（15）、道威棱镜（17）、第三消偏振分束棱镜（19）、第四消偏振分束棱镜（27）、涡旋波片（25）、碱金属蒸汽池（26），
所述耦合激光器（1）和输入激光器（6）的频率均失谐锁定在碱金属原子超精细结构跃迁线上；
所述耦合激光器（1）输出的耦合光经整形棱镜（11）整形后，入射至第一消偏振分束棱镜（12）并分为两束光，其中一束光以第一入射角入射至第二消偏振分束棱镜（15）的入射面，另一束光以不等于第一入射角的第二入射角从第二消偏振分束棱镜（15）的入射面另一侧入射，两束光经第二消偏振分束棱镜（15）后分成四束，其中两束以夹角出射并相互干涉，沿第一传播方向产生第一驻波场，另外两束光以同样夹角出射，沿第二传播方向产生第二驻波场，第一驻波场经道威棱镜（17）后，驻波场方向旋转90度，第一驻波场和第二驻波场经第三消偏振分束棱镜（19）后入射至碱金属蒸汽池（26），形成空间周期性调制的二维方形光学诱导原子晶格；
所述输入激光器（6）输出的信号光经涡旋波片（25）后，与耦合光对向重合入射至碱金属蒸汽池（26），经碱金属蒸汽池（26）输出涡旋阵列。
7.根据权利要求6所述的一种基于光学诱导原子晶格的可调涡旋阵列产生装置，其特征在于，还包括第一分束器，第一半波片（23）、第一四分之一波片（24）、第四消偏振分束棱镜（27）和光束质量分析仪（31）；
所述输入激光器（6）输出的信号光经第一分束器后分成两束，其中一束经第一半波片（23）、第一四分之一波片（24）、涡旋波片（25）后入射至碱金属蒸汽池（26），经碱金属蒸汽池（26）后入射至第四消偏振分束棱镜（27），另一束光被反射至第四消偏振分束棱镜（27）后与其发射干涉，干涉信号被光束质量分析仪（31）接收。
8.根据权利要求7所述的一种基于光学诱导原子晶格的可调涡旋阵列产生装置，其特征在于，还包括第一反射镜（13）、第二反射镜（14）、第三反射镜（16）、第四反射镜（18）、第五反射镜（20）、第六反射镜（28）、第七反射镜（30）和第二半波片（29）；
所述耦合激光器（1）输出的耦合光经第一消偏振分束棱镜（12）分成两束后，其中一束光以第一入射角直接入射至第二消偏振分束棱镜（15）的入射面，另一束光依次经第一反射镜（13）、第二反射镜（14）反射后入射至第二消偏振分束棱镜（15）；所述第一驻波场依次经第三反射镜（16）、道威棱镜（17）、第四反射镜（17）后入射至第三消偏振分束棱镜（19），所述第二驻波场直接入射至第三消偏振分束棱镜（19），第一驻波场和第二驻波场经第三消偏振分束棱镜（19）合束后，依次经第五反射镜（20）、第四消偏振分束棱镜（27）入射至碱金属蒸汽池（26）；
所述第一分束器包括第三半波片（21）和第一偏振分束棱镜（22）；
所述输入激光器（6）输出的信号光经第一分束器后分成两束后，另一束光依次经第六反射镜（28）、第二半波片（29）和第七反射镜（30）后入射至第四消偏振分束棱镜（27）。
9.根据权利要求6所述的一种基于光学诱导原子晶格的可调涡旋阵列产生装置，其特征在于，所述夹角的范围为：0.2°到0.5°。
10.根据权利要求6所述的一种基于光学诱导原子晶格的可调涡旋阵列产生装置，其特征在于，还包括：第一锁频分光器、第二锁频分光器、第一偏频饱和吸收光路（5）和第二偏频饱和吸收光路（10）；所述碱金属蒸汽池（26）内为铷原子；
所述耦合激光器（1）输出的耦合光经第一锁频分光器分出一部分光至第一偏频饱和吸收光路（5），第一偏频饱和吸收光路（5）用于将耦合激光器（1）的频率失谐锁定在铷原子5S1/2, F=2—5P1/2, F=3超精细结构跃迁线上，失谐量为-20~-60MHz；
所述输入激光器（6）输出的耦合光经第二锁频分光器分出一部分光至第二偏频饱和吸收光路（10），第二偏频饱和吸收光路（10）用于将输入激光器（6）的频率失谐锁定在铷原子5S1/2, F=2—5P3/2, F=3超精细结构跃迁线上，失谐量为0~30MHz。
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|---|---|---|---|---|
| CN114184285A (zh) * | 2021-10-27 | 2022-03-15 | 西安石油大学 | 一种基于非线性介质中的涡旋光拓扑荷数检测装置 |
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| 元晋鹏等: "Observation of diffraction pattern in two-dimensional optically induced stomic lattice", 《OPTICS LETTERS》 * |
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| CN114184285A (zh) * | 2021-10-27 | 2022-03-15 | 西安石油大学 | 一种基于非线性介质中的涡旋光拓扑荷数检测装置 |
| CN114184285B (zh) * | 2021-10-27 | 2023-04-18 | 西安石油大学 | 一种基于非线性介质中的涡旋光拓扑荷数检测装置 |
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