实验室在相干原子介质中的涡旋阵列制备及调控研究中取得重要进展

近期，实验室汪丽蓉教授、元晋鹏副教授实验课题组与理论合作者陈刚教授共同在Laser & Photonics Reviews期刊上发表了题为“Creation and control of vortex-beam arrays in atomic vapor”的研究论文，期刊影响因子10.947。元晋鹏副教授和博士生张恒飞为论文的共同第一作者，汪丽蓉教授和陈刚教授为论文共同通讯作者，贾锁堂教授和肖连团教授等共同参与了工作。

涡旋光束具有螺旋形相位波前和特定的轨道角动量，可以为光场调控提供新的可控自由度。涡旋阵列由多个涡旋光束组成，具有更高的调控性，在光学微操控和光通信等领域有广阔的应用前景。目前制备涡旋阵列的通用方法主要是利用达曼光栅、叉形光栅、全息相位板以及超表面材料等基于叉形原理的衍射光学元件，一般根据提前模拟好的参数进行构造，产生的涡旋光束/涡旋阵列存在可控自由度低的局限，极大地限制了涡旋阵列的大规模应用。电磁诱导光子晶格是在电磁诱导透明效应的基础上施加驻波耦合光场诱导而成的一种新型人造周期性介电结构，与固态结构相比，具有灵活可调和容易重构的新特点，有效地弥补了固态周期性结构在光场调控方面的局限性。

研究团队在实验上利用高斯光束与涡旋光束在三能级阶梯型铷原子相干介质中进行干涉，电磁诱导形成新型叉形光子晶格，利用其通过对入射光束的衍射以及螺旋相位的叠加获得多维可调的涡旋阵列。首先在原子介质中通过构造沿x方向传播的叉形驻波场诱导一维叉形光子晶格，实现了一维涡旋阵列的制备与操控。研究发现当入射光束为高斯光束时，所生成的涡旋光束的拓扑荷由干涉光场的分叉数以及衍射级数决定，通过对实验参数的调节可以有效操控生成的各级涡旋光束的衍射效率。接着引入沿y方向传播的叉形驻波场，与沿x方向传播的驻波场相互交叠诱导形成二维叉形光子晶格，实现了二维涡旋阵列的制备。实验获得3×3的高分辨方形涡旋阵列，由于入射光束为高斯光束，该阵列中的光束相对于中心光束呈镜面对称分布，每个光束的拓扑荷由两个方向驻波场以及衍射级数共同决定。该阵列具有优良的可调谐特性，同时由于维度的增加，操控效果更加明显。之后将入射光束由高斯光束更换为涡旋光束，每个涡旋光束拓扑荷也受到入射光束拓扑荷的影响，获得了信息更加丰富的涡旋阵列，由于系统卓越的相位调节机制，通过调节入射涡旋光束的相位特性，产生涡旋光束的衍射效率可以得到有效提高。在理论上将该阵列扩展到5×5、7×7等更大的维度，对于进一步增强可调涡旋阵列的实际应用具有重要的意义。综合上述，该方案的创新性如下：一是原子介质与固体材料相比具有更优的可调谐性；二是多光束干涉的设计具有多样性，可以用来探索更多复杂几何结构的涡旋阵列；三是该系统具有实时可调轨道角动量、强度和空间分布等多个自由度，可以广泛应用在光学操作、光学加工、光通信等领域。

图1实验示意图

(a) 一维涡旋阵列产生示意图；(b)和(c) 分别为一维和二维驻波场的干涉光束空间分布。

图2理论模拟与实验结果

(a)和(b) 分别为入射光束为高斯光束时所制备的一维和二维涡旋阵列；(c) 为入射光束为涡旋光束时所制备的涡旋阵列。

该成果得到了国家重点研究发展计划、国家自然科学基金面上项目等项目的资助。

论文地址：https://doi.org/10.1002/lpor.202200667