第十九届全国基础光学与光物理学术讨论会会议论文摘要集

前 言

由中国光学学会基础光学专业委员会与中国物理学会光物理专业委员会共同主办、东北师范大学承办的“第十九届全国基础光学与光物理学术讨论会”于2020 年12 月19-21 日在吉林长春举行。中国光学学会理事长龚旗煌院士参加会议并致开幕辞,会议吸引了来自国内大专院校、科研院所、科技期刊等30 多个单位的150 余位专家学者和研究生代表。研讨会上共有口头报告和墙报近80 个,其中包括5 个大会邀请报告和26 个分会邀请报告,充分展示了国内基础光学领域的最新进展和未来发展趋势。这里报道的是提交大会的部分报告的摘要。

自发对称性破缺微腔激光

曹启韬, 肖云峰

(北京大学物理学院, 北京 100871)

高性能的相干光源是基础光物理研究和集成光子学应用的关键之一。近年来,具有超高品质因子的回音壁微腔已经成为研究各种新型高效光源的重要平台。然而,其存在的固有手征对称性导致腔中激光场通常是等强度相向传输的,严重阻碍了诸多光子学器件应用的发展。

为此,我们将之前工作中证明的微腔光场自发对称破缺机制引入到增益微腔,实现了方向可重构的自发手征对称破缺拉曼激光。首先在完全对称的回音壁微腔系统中获得低阈值拉曼激光。在光学克尔效应的作用下,当满足特定相位的拉曼激光场强度达到破缺阈值时,拉曼激光场的手征对称态发生失稳,光场会自发地进入顺时针或逆时针单向传输的手征状态;实验获得的两个方向激光强度之比可超过160:1。进一步通过控制双向泵浦光强度比例实现了自发手征激光方向性的动态切换。这种自发对称破缺激光同时结合了激光增益动力学和自发对称破缺机制,为方向可重构的微腔相干光源提供了新方案,并且可以进一步拓展到其他材料和不同的激光过程中。

拓扑光子晶体微腔中的Purcell效应与低阈值激光

许秀来

( 中国科学院物理研究所, 北京 100190)

拓扑光学由于具有对微扰、缺陷等的鲁棒性得到了广泛的关注和研究,并在单向波导和拓扑激光等方面具有潜在的应用前景。在高阶拓扑绝缘体上存在的零维拓扑角态为缩小拓扑光学的应用尺寸提供了可能,对纳米尺度的拓扑光学器件发展具有重要意义。同时这种拓扑角态也为研究腔量子电动力学提供了一个新的平台。

我们利用二阶拓扑光子晶体上的拓扑角态实现了低阈值的拓扑激光,并通过与单量子点集成实现了单量子点与拓扑角态的弱耦合。基于拓扑角态设计并优化了二维拓扑光子晶体微腔,它具有高品质因子和低模式体积。在实验上,一方面利用具有高点密度的量子点作为增益,实现了低阈值的拓扑激光,其阈值约为1 μW,比目前利用拓扑边界态的拓扑激光小3 个数量级,为纳米拓扑光学器件的发展和片上集成奠定了基础。另一方面,将拓扑微腔与低点密度的量子点集成,观测到单量子点共振时荧光强度增强了约4 倍,同时通过测量荧光寿命观测到了自发辐射速率约1.3 倍的增强,从而证实了单量子点与拓扑角态的弱耦合,为研究拓扑量子光学界面打下了基础。

混沌光学微腔动力学研究

陈立坤, 肖云峰

(北京大学, 北京 100871)

光学微腔可以将光子长时间局域在很小的空间内,极大地增强了光和物质的相互作用,是光物理基础与前沿应用的重要平台之一,已被广泛应用于弱光非线性、强耦合腔量子电动力学和光声相互作用等物理过程,以及微纳尺度激光、高灵敏生化传感和精密测量等应用研究。近年来,非对称光学微腔通过打破传统回音壁微腔的旋转对称性,获得了混沌光场,为操控光子行为提供了新的途径,成为研究混沌和非厄密动力学的重要工具。混沌微腔中光子输运具有丰富的动力学行为,以混沌辅助隧穿和共振辅助隧穿为代表引起了广泛的理论研究,但一直以来缺乏实验上的实验探测。

本工作利用射线模型和波动仿真揭示了光场在混沌微腔中存在着两个绝然不同且对初值极其敏感的演化路径。进一步的研究表明,根据位置-角动量相空间具体结构的不同,光子在微腔中可以沿着混沌动力学和规则-混沌动力学两条路径或者纯混沌和流型调控两条路径,由波导模式演化为高品质因子回音壁模式。其中,动力学隧穿过程连接了相空间中的不同结构,为模式间耦合提供了物理通道。在实验中,通过微腔-光纤耦合体系中巧妙的改变入射光场的角动量和空间角方位,精确调控了相空间中的激发初态,使得光场可以分别在混沌区域和规则区域中被激发。同时利用测量透射谱的变化并统计模式耦合效率的规律,揭示出不同演化路径的显著差异,证明了混沌光场演化过程会受规则模式的调控,与理论上预测一致。

基于单个光学微腔中频率维度上的反PT对称系统

万文杰, 张方醒

(上海交通大学, 上海 200230)

近年来,尤其是当人们意识到满足宇称时间(PT)对称性和反PT 对称性的系统具有着类似于厄米系统的实本征值后,对于非厄米体系统的研究不断取得进展,并揭示了厄米体以外丰富的物理现象。迄今为止,上述对称系统的实现仅限于几何维度上的线性耦合系统,如耦合谐振腔(一维)、耦合波导(二维)等。实际上在更低几何维度的系统中同样可以实现较高维度的物理光学研究,其基本思想就是构建耦合系统,并将合成维度与几何维度相结合,形成更高维度的合成空间。光学微腔自然地支持不同频率的模式,不同模式之间又可以通过动态调制或光学非线性手段进行耦合,因此频率是微腔中合成维度的重要方法。在回音壁微腔中,就有利用简并四波混频系统,将闲频模式和信频模式耦合,并基于此观测到光致透明现象的先例。

我们利用光学微腔中的两个不同频率的光学模式代替现有的空间奇偶势场,通过布里渊增强四波混频系统中的非线性合成一个附加的频域,进而从理论上建立了一个合成光谱维度上的反PT 的对称性系统。与以往对原始PT 对称性和反PT 对称性的探索不同,通过非线性频率转换耦合同一个微腔中的两个光谱分离的光模式,并不需要在空间PT 情况下有第二个微腔。这两种非线性耦合模式相互影响,在实验观测到的透射谱中,产生了与原子物理学中的对应共振模式类似的布里渊散射致感应透明(BSIT)或吸收(BSIA)现象。此外,通过使用专门为这个框架开发的调谐技术,研究人员获得了探测光的经过系统后的谱线,并在理论上的EP 点附近观察到了非厄米相变。这一工作为物理学中两个新兴领域的结合开辟了一个新的前沿,即合成维度物理和基于PT/反PT 对称的非厄米系统。

光子学中合成频率维度空间的研究

袁璐琦

(上海交通大学物理与天文学院, 上海 200240)

研究了动态调制下光学谐振腔系统,并将光的频率自由度主动耦合在一起,构建了人工合成频率维度。在结合该频率维度的合成空间中,通过动态调制,可以产生作用于光子的等效规范场,从而能够实现包括拓扑边界态等一系列物理现象。此外,发现可以结合光的两个独立的自由度,在单个光学谐振腔中搭建二维空间,并实现等效磁流。从理论出发,研究了合成空间中的各类光学效应;在实验上对人工合成频率维度进行了验证,并在单个光学腔中搭建了两个独立合成维度。发现合成维度不仅能使人们在空间上操控光子,更能在合成维度上控制光子在其自由度上的转换。此外,合成频率维度概念也为在简单光学结构中去研究复杂物理现象提供了新思路。

受激拉曼散射中双谐波泵浦级联宽带辐射研究

王冲, 王莹, 孙成林, 门志伟

(吉林大学, 长春 130012)

受激拉曼散射过程中通过注入斯托克斯光产生高阶斯托克斯和反斯托克斯光辐射。此过程可用于有效生成由几个等距光谱组成的可调光谱拉曼梳线。本实验是Nd:YAG 激光器作为激励源发射出532 nm 波长激光,通过小孔光阑,透镜聚焦光束至样品池,输出的激光经过二向色镜并由探测器接收信号。本研究着重于以下几个方面: 1)多阶级联斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射的阈值;2)单样品池和双样品池的能量转换效率;3)各阶斯托克斯和反斯托克斯的脉宽压缩。当仅有泵浦光注入单样品池时,得到具有五阶斯托克斯和三阶反斯托克斯拉曼峰;而在泵浦激光和斯托克斯光经过第二个样品池时,获得了六阶斯托克斯和反斯托克斯峰值的分布。发现单样品池相比双样品池中出现拉曼峰所需要的激光能量阈值要大。苯环CC 三阶振动与CH 一阶伸缩振动频移相似,产生激发态能量耦合及传递,此双谐波作为泵浦源又产生了高频双受激峰的出现。当泵浦光与斯托克斯光形成四波混频时,将产生相应的反斯托克斯峰。当使用装有相同介质的双样品池作为受激拉曼系统时,可以实现双谐波的最精确重合。这也就解释了单样品池和双样品池受激拉曼散射阈值不同的原因。此研究提供了一个简单且适用的方法来获得可见光范围内的宽谱带激光输出。

内部分束光栅压缩器与超强超短激光时域参数单发测量

刘军, 申雄, 王鹏, 李儒新

(中国科学院上海光学精密机械研究所, 上海 201800)

超强超短激光可为人类在实验室创造出极端物理条件,在实验室天体物理、真空物理等前沿科学研究中有重要应用。本文主要报道近年来围绕10 ～100 PW 激光装置的需要,在超强激光的对比度单发测量、脉冲形状宽度测量、高对比度种子脉冲产生,以及光栅压缩器设计等多个重要方面进行的创新研究及成果。比如,团队提出了“四阶相关仪”崭新方法,国际首次实现同时最高动态范围1011(目前可达1012)和同时高时间分辨160 fs 对比度单发测量,解决了对比度单发测量的国际难题。国际上100 PW 都是通过组束方案来实现,为了降低组束难度,并解决大光栅损伤与质量的难题,创新性提出了“内部分束光栅压缩器”的压缩组束新方案,简化了装置,节省了成本,降低了大光栅波前质量要求,并大大降低了组束难度。基于TG-SRSI 飞秒脉冲形状宽度测量新方法,研制的直筒傻瓜式、全反射式和组合式飞秒脉冲测量仪,具有比现有商用仪器更好的性能。

变换光学波导阵列中类比引力的研究

盛冲, 刘辉, 祝世宁

(南京大学物理学院, 南京 210093)

近年来,超构材料迎来了极为快速的发展,其具有将光和电磁辐射耦合到亚波长尺度的能力,满足了高速发展的现代科学技术对光学元器件的高性能、微型化以及集成化的新要求。基于超构材料的光子芯片带来很多令人鼓舞的应用。另一方面,超构材料光子芯片还可以用来模拟一些广义相对论的现象,尤其是探索一些尚未被实验证实的与引力相关的现象。简要介绍了不同类型的超构材料芯片上模拟的类比引力的现象,着重介绍变换光学波导阵列这种光子芯片模拟研究黑洞附近玻色子和费米子的量子演化,以及纠缠光子对在黑洞视界附近由于量子干涉而出现的光学逃逸现象,进一步研究了纠缠光子对在黑洞视界附近纠缠熵衰减的现象。

金属超构表面的角分辨热辐射研究

刘辉, 仲帆, 祝世宁

(南京大学物理学院, 南京 210093;东南大学物理学院, 南京 211189)

近年来,对于热辐射调控的研究吸引了众多研究者投入其中,特别是其潜在提高能源利用效率、实现低成本高效的散热等方面有着巨大的应用前景。对此,我们近期通过设计金属超构表面实现了对热辐射的调控。利用傅里叶红外光谱仪搭建了角分辨热辐射测量系统,其无须额外信号源的特点使得我们可以方便地测量所设计的金属超构表面对热辐射信号的调控,并且这一系统在测量能量动量关系时有着很高的可靠性与角分辨度,使得金属超构表面的本征特性可以被清晰地表征。通过此系统,可以表征金属超表面周期单元结构的拓扑性质以及其在开放系统导致的非厄米系统中的内在本征模式。在金属超构表面设计中,利用锗、金、锗三层金属组成褶皱型平板结构,通过研究这一单元结构中的偏振波导模式的对称性差异,确定其拓扑性质,解释了模场对称性与远场热辐射强度的关系,实现连续体中的束缚态。利用不同的结构单元构成超晶格实现了热辐射体系中的拓扑界面态。在测试的金属超构表面单元结构中,可以通过精确调整结构的参数,连续看到拓扑性质的变化与能带的翻转即束缚态与辐射态位置的互换,展示了一个动态连续调控的过程。

Orbital-angular-momentum-based experimental test of Hardy’s paradox for multisetting and multidimensional systems

ZHANG Dongkai

(Xiamen University, Xiamen 361005, China)

Characterizing high-dimensional entangled states is of crucial importance in quantum information science and technology.Recent theoretical progress has been made to extend the Hardy’s paradox into a general scenario with multisetting multidimensional systems,which can surpass the bound limited by the original version.Hitherto,no experimental verification has been conducted to verify such a Hardy’s paradox,as most of previous experimental efforts were restricted to two-dimensional systems.Here,based on two-photon high-dimensional orbital angular momentum(OAM)entanglement, we report the first experiment to demonstrate the Hardy′s paradox for multiple settings and multiple outcomes.We demonstrate experimentally the paradox for two-setting higherdimensional OAM subspaces up tod= 7, which reveals that the nonlocal events increase with the dimension.Furthermore, we showcase the nonlocality with an experimentally recording probability of 36.77%for five-setting three-dimensional OAM subspace via entanglement concentration,and thus showing a sharper contradiction between quantum mechanics and classical theory.

基于超高阶导模直接观测光的自旋霍尔效应

戴海浪, 曹庄琪, 陈险峰

(上海交通大学, 上海 200240)

当不同波矢组成的平面波的波包进入一个折射率在变化的空间时,不同波矢组成的平面波经历不同的几何相位,从而影响空间剖面而在横向上发生分离的现象即为光子的自旋霍尔效应。其中,在横向上的分离的距离就是Imbert-Fedorov(IF)位移。因此,评判光子自旋霍尔效应强弱的另一种描述就是在横向上左旋光子和右旋光子分离的距离IF 位移的大小。同时,IF 位移也是评判光子进入结构之后自旋-轨道角动量相互作用强弱的依据,所以一个可直接观测的超大IF 位移对于将光子自旋霍尔效应应用到生物分子结构的检测以及左手材料的检测是一项很重要的应用。然而,由于自旋-轨道相互作用的强度很弱,导致产生的IF 基本都是在亚波长量级,因此很难在实验上直接观测到左旋光和右旋光的横向分离。本工作利用双折射晶体金属覆盖波导在小角度激发超高阶导模理论分析IF 位移的决定性因子,以及实现放大IF 位移的机制。并通过实验验证了该理论实现超强的“自旋-轨道”相互作用的机制,实现了可视化IF 位移,最终实现了0.16 mm 大小的IF位移。

Atomic receiver based on microwave-dressed Rydberg spectroscopy

HU Ying

(Shanxi University, Taiyuan 030006, China)

Highly sensitive phase- and frequency-resolved detection of microwave electric fields is of central importance in a wide range of fields,including cosmology,meteorology,communication and microwave quantum technology.Atom-based electrometers promise traceable standards for microwave electrometry, but their best sensitivity is currently limited to a few μV/cm per square root hertz and they only yield information about the field amplitude and polarization.Here, we demonstrate a conceptually new microwave electric field sensor-the Rydberg-atom superheterodyne receiver.The sensitivity of this technique scales favourably,achieving even 55 nV/cm per square root hertz with a modest set-up.The minimum detectable field of 780 pV/cm is three orders of magnitude smaller than what can be reached by existing atomic electrometers.The Rydberg-atom superhet allows SI-traceable measurements, reaching uncertainty levels of 10-8V/cm when measuring a sub-μV/cm field, which has been inaccessible so far with atomic sensors.Our method also enables phase and frequency detection.In sensing Doppler frequencies,sub-μHz precision is reached for fields of a few hundred nV/cm.This work is a first step towards realizing electromagnetic-wave quantum sensors with quantum projection noise-limited sensitivity.Such a device will impact diverse areas like radio astronomy,radar technology and metrology.

Hong-Ou-Mandel interferometry on a biphoton beat note

CHEN Yuanyuan

(Xiamen University, Xiamen 361005, China)

Hong-Ou-Mandel interference, the fact that identical photons that arrive simultaneously on different input ports of a beam splitter bunch into a common output port,can be used to measure optical delays between different paths.It is generally assumed that great precision in the measurement requires that photons contain many frequencies,i.e.,a large bandwidth.Here we challenge this“well-known”assumption and show that the use of two well-separated frequencies embedded in a quantum entangled state(discrete color entanglement)suffices to achieve great precision.We determine optimum working points using a Fisher Information analysis and demonstrate the experimental feasibility of this approach by detecting thermally-induced delays in an optical fiber.These results may significantly facilitate the use of quantum interference for quantum sensing,by avoiding some stringent conditions such as the requirement for large bandwidth signals.

量子非线性迈克尔逊干涉仪

杨琛

(中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026)

干涉仪是科学研究和实际应用中的重要测量工具。介绍了一种基于二阶准相位匹配晶体自发参量下转换效应的非线性干涉仪。这种特殊的干涉仪利用了光子的关联性,使得通过待测样品的光子和被探测器探测的光子能够处于不同波段,即可以实现通过测量可见光子来推测样品的红外光学性质。本文先给出该干涉仪的理论模型,再报道一种具有迈克尔逊结构的非线性干涉仪的实验研究,包括等倾干涉和等厚干涉实验,验证了该干涉仪在实际测量应用中的可行性。

基于Dual-EIT效应在室温原子气室中实现四通道非线性非互易系统

胡耀东, 许宏荆, 贺炎炎, 张俊香

(浙江大学物理学系, 浙江 杭州 310007)

在非磁性线性介质中,由于麦克斯韦方程满足洛伦兹互易性,系统的前后向传输特性往往一致。当通过内部/外部引入非对称偏置后,这种互异性会被打破,从而导致时间反演对称性破缺。这样的非互易系统的优势在于构建了透射特性的方向性。分别从理论和实验两方面介绍一种室温环境下利用铯原子气室实现四通道同步增益的非互易系统,其基于能够产生群速度匹配的关联双通道的Dual-EIT 效应以及光学混频非线性效应。实验系统中,由于强耦合场的单向传输,使得时间反演奇变换的波矢的空间对称性被破坏,从而打破时间反演对称,波矢的非对称性直接破坏了对向传输系统基于热原子多普勒失谐的DEIT 结构的量子相干性以及多波混频系统的能量转移匹配条件,从而构建了单向多通道增益系统。实验上利用该系统得以实现最高正向30 dB 增益以及反向-23 dB 的抑制。系统的增益幅值与光场可调参数如耦合光Rabi 频率,失谐值以及温度等紧密相关,特殊的选取得以构建增益损耗平衡系统,这同时为原子系统实现PT 对称/反对称结构提供了新的方案。

基于间隙等离激元-偶极子体系的手性耦合珀塞尔增强及单向传输

单凌霄, 张帆, 任娟娟, 张淇, 龚旗煌, 古英

(北京大学物理学院, 北京 100871)

手性耦合是一种光的自旋轨道耦合现象,它在圆偏振偶极子与倏逝波耦合的情况下产生。此时,圆偏振偶极子激发单向传播的倏逝波,且单向传播方向与激发光偏振“锁定”。这种单向传输特性使其在非互易器件的研究中引起诸多讨论。但是手性耦合中的珀塞尔增强还较少被研究。而这有利于实现强度更高的单向光子输出,为单光子源和纳米激光迈向实际应用提供可能。

我们利用间隙等离激元-偶极子体系构建了一个强烈局域的纳米间隙。在数值计算中,整个体系同时具有好的单向传输特性以及很大的珀塞尔增强:传输单向性可达91%,间隙中的圆偏振偶极子得到了104倍以上的珀塞尔增强,经纳米线收集的辐射功率相比偶极子的真空辐射增强了500 倍。并且,单向传输的方向可以通过金属环的模式来调控。

基于间隙表面等离激元的高保真度量子门研究

张淇, 郝赫, 任娟娟, 张帆, 龚旗煌, 古英

(北京大学物理学院, 北京 100871)

在微纳光子结构中实现量子门,将极大地推动芯片上量子器件的小型化和集成化。表面等离激元以超小模式体积和超强的局域场而广受关注,在调控珀塞尔效应和增强光与原子相互作用等方面有着广泛的应用。然而,在强耦合的表面等离激元纳米腔中实现高保真度的量子相位门尚未被提出。在此,基于金属纳米锥-金属纳米线结构,我们从理论上提出了种量子相位门,可以同时实现纳米尺度上的任意相位调控和有效光子收集。该模型引入了增益介质,有效地减小了纳米腔的损耗,使量子门的保真度提升至88.8%,同时,辐射的光子可以通过金属纳米线引导和收集,收集效率超过30%,有利于量子器件间的连接。该系统可作为通用量子节点来处理和存储量子信息,为芯片上的多功能量子门和新型量子线路的物理实现带来了希望。

A spatially pinned surface plasmon through short-circuiting electronic oscillation in waveguide-sustained SPPs

FU Yulan, ZHANG Xiaochen, WANG Meng, ZHANG Xinping

(Institute of Information Photonics Technology and Faculty of Science,Beijing University of Technology,Beijing 100124, China)

Surface plasmons (SPs) exhibit unique characteristics due to participation of the conduction electrons within the metal and have been widely used in nanophotonic and optoelectric devices.SPs are often categorized into two types: Localized surface plasmons(LSPs)confined to subwavelength metallic objects and surface plasmon polaritons(SPP)propagating along metal-dielectric interfaces.The coupling between LSP and SPP has been studied in-depth in hybrid systems consisting of metal nanoparticles above a thin metal film.

In this work, we present a spatially pinned plasmonic nanostructure composed of a gold nanoshell grating and a planar gold film and examine the coupling between the LSPs on each individual grating line and the SPP-Bloch wave propagating along the gold nanolayers.A gold nanoloop was formed in the pinned plasmonic nanostructure and the short-circuited electronic oscillation in the nanoloop gave rise to a new hybrid plasmon.As a comparison, a Poly(methyl methacrylate) (PMMA) spacer layer was inserted between the nanoshell grating and the planar gold film to adjust the coupling between the LSPs and the SPP-Bloch wave.TA spectroscopic investigations revealed characteristics of the spatially pinned hybrid nanostructure,indicating that the relaxation dynamics of the plasmonic electron oscillation was dramatically modified after being pinned with the lifetime of electron-phonon scattering extended from 2.76 to 5.56 ps.Furthermore, a holding time as large as 1.3 ps in the electron relaxation process was observed with the PMMA-spacered structure, which was sustained by the distributed feedback (DFB) microcavities aided by the PMMA waveguide layer and vanished in the pinned structures due to the blocking of the propagation channels of the SPP waves.

区域液晶面外定向技术及其在光场调控中的应用

王钰, 李晓荣, 高少华, 杨东浩, 王佳艺, 崔慧林, Chemingui M, 张心正, 许京军

(南开大学物理科学学院弱光非线性光子学教育部重点实验室, 天津 300071)

通过对入射光波相位、振幅、偏振、频谱和相干性等的控制可以调控光场的分布和传输,在科学研究和实际应用方面都具有重要的价值。简单高效、成本低廉地实现对光场的有效调控已经成为光场调控领域亟需解决的课题之一。提出了一种新型的区域液晶面外取向技术,基于飞秒多光子光聚合激光直写制备出由聚合物条带构成的微结构,将其制成液晶盒,并充入不同种类的液晶,即可实现电光开关、磁光开关、光场调控等功能。制作了不同参数的液晶q 波片,分别产生了轴对称矢量光、涡旋光和矢量涡旋光,此液晶器件具有电调谐和宽波段适用的特点。当以圆偏光入射时,通过调节液晶q 波片两端的电压,可以实现涡旋光场、矢量涡旋光场和标量光场之间的转换。设计了聚合物-手性液晶复合体系,研究了聚合物条带间距对缺陷模式耦合的影响及禁带中迷你能带的形成。在一维周期聚合物条带结构中填充铁磁性向列相液晶,通过外加磁场即可对液晶分子的取向进行调控,此方法对实现非接触式的可调控衍射光学器件或其它液晶功能性器件具有重要意义。

里德堡阻塞效应下集体激发的同相与反相控制及纠缠研究

白文杰, 韩海燕, 陈丽, 严冬

(长春大学理学院, 吉林 长春 130022)

基于里德堡偶极阻塞效应的同相与反相控制研究具有非常重要的意义。在激光场作用下,严格的偶极阻塞区域中具有空间分离的两个冷原子系综,既可以看作是一个大的超级原子,也可以看作是两个相互关联的较小超级原子。将其中一个设置为控制超级原子,另一个为目标超级原子,以此为基础研究两个超级原子的集体激发同相和反相行为以及纠缠性质。结果表明,初态均为基态,即ψ(0) = |Gc〉|Gt〉,等大(包含相等的原子数)的两个超级原子可以实现精确的同相激发,同时可以制备出集体态的最大纠缠态而不等大的两个超级原子,当原子数目差为1 时,可以实现近似的同相控制,并且随着超级原子包含的原子数目增大,这种差异就变得微不足道,即对数目大的超级原子,可以实现同相控制和集体态的最大纠缠制备。当初态为ψ(0) = |Rc〉|Gt〉(ψ(0) = |Gc〉|Rt〉),即控制超级原子(目标超级原子)激发,而目标超级原子(控制超级原子)处于基态的时候,可以实现反相控制。

超导腔中薛定谔猫态的制备与调控研究

孙风潇, 何琼毅, 龚旗煌

(北京大学, 北京 100871)

薛定谔猫态是一种典型的宏观量子叠加态,实现对薛定谔猫态的制备与调控不仅有利于探索量子力学基本问题,而且对于实现量子通信、量子计算和量子精密测量等方面都有着重要的意义。在最近的实验中,人们在超导腔系统中实现了弱相干的瞬态薛定谔猫态。为了进一步阐明非线性相互作用对于薛定谔猫态制备与调控的影响,实现大粒子数、强相干性薛定谔猫态的制备与调控,我们对超导腔模式的基态性质进行了深入研究,给出了超导腔模式的相图以及实现简并基态的参数范围。在此基础上,通过分析系统稳态在强非线性相互作用极限下的性质,给出了增强稳态薛定谔猫态的纯度与量子相干性的条件,阐释了单光子耗散对于稳态薛定谔猫态的破坏性。为了克服稳态下薛定谔猫态纯度低、相干性弱的缺点,详细分析了超导腔系统中非线性性质对于瞬态薛定谔猫态性质的影响,并基于目前可实现的实验条件,提出了制备大粒子数、强相干性瞬态薛定谔猫态的方案。研究了超导腔模式简并基态间的量子隧穿性质,发现可通过系统失谐以及非线性相互作用来调控量子隧穿,为进一步实现薛定谔猫态的量子调控、优化量子计算及量子神经网络提供了新思路。

超低激发阈值柔性二氧化钒太赫兹波调制器

马赫, 王钰, 张新平

(北京工业大学, 北京 100124)

由于具有多激励、宽谱响应、插入损耗小和响应速度快等优势,VO2是一种理想的THz 波主动调制材料。但是,由于传统半导体基底存在缺乏柔性、热容大、热导率低和不导电等问题,在硬质基底上难以实现高性能VO2基THz 波主动调制器件。为解决上述问题,申请人将VO2生长在顺排CNT 薄膜上。顺排CNT 薄膜具有沿CNT 轴向有序排列的特性。当THz 波偏振方向与CNT 方向平行时,顺排CNT 薄膜对THz 波强烈吸收。当THz 波偏振方向与CNT 方向垂直时,顺排CNT 薄膜对THz 波透过率较高。因此,当THz 波偏振方向与CNT 方向垂直时,VO2/CNT 薄膜可作为THz 波强度调制器。利用VO2相变和CNT 高吸光、低热容的协同效应,VO2/CNT 薄膜THz 波强度调制器具有消光比高、激发阈值低和响应速度快的优势。值得一提的是,该THz 波强度调制器的激发阈值仅为前人报道VO2基THz 主动调制器激发阈值的4%。另外,由于VO2/CNT 薄膜中CNT 薄膜的高度有序性,VO2/CNT 薄膜起到偏振片的作用,因此具有多功能性。另外,为了展示其应用,利用VO2/CNT 薄膜对THz 成像进行了主动调控。

光场调控在强场物理中的应用

刘运全

(北京大学物理学院人工微结构和介观物理国家重点实验室, 北京 100871)

随着超短脉冲激光技术的发展,尤其基于啁啾脉冲放大技术,飞秒激光的脉冲宽度越来越短,实验室已经可以产生脉冲宽度达到极限单周期量级的飞秒激光,强度也越来越强,聚焦的激光电场强度可以远超过原子内部场强109V/cm。因此超短脉冲激光与物质相互作用,是一种高度非线性过程。通过激光脉冲整形及相干控制是超短脉冲激光应用一个非常有效的手段,也是超快光科学最重要的前沿研究之一。激光脉冲的控制,从最早的改变激光脉冲的单个参数,比如调节波长或啁啾等,发展到了包括脉冲形状、初始位相、偏振等多个新参数改变来调制激光脉冲。通过对激光脉冲的这些参数的控制,会带来其时域分布、相位、偏振等性质的改变。开展光场的时域、空域调控及其与物质相互作用,将促进发现新效应和新现象、催生新技术和新应用,进一步深刻理解“光”的性质、挖掘激光潜能和拓展激光应用。基于时域脉冲整形,我们构建了几种阿秒钟,对强激光场隧道电离过程进行了深入研究。

结合光电子成像技术,我们最近开展了光场调控对强激光场中光子自旋轨道相互作用的研究。实验结果直接证明了结构光场发生了轨道自旋转化,转化得到的自旋角动量通过光电子动量得到了非常直观的体现。实现强激光场光子轨道角动量-自旋角动量的转换,可以广泛应用于产生具有高轨道态、自旋态可控的极紫外光子束和电子束等。

金属衬底波导中单光子辐射场的操控研究

陈建军

(1 北京师范大学物理学系,应用光学北京市重点实验室, 北京 100875;2 北京大学物理学院,人工微结构和介观物理国家重点实验室, 北京 100871;3 山西大学极端光学协同创新中心, 山西 太原 030006)

单光子发射体是按需确定性产生单个光子,这些光子具有明确的偏振以及时空模式,并且在同一模式中有且只有一个光子的发射体。近些年来人们开发大量的类原子单光子发射体,但是性能依然有待提高,比如单光子产生速率小,收集效率低,偏振态随机等。金属结构支持的表面等离激元具有突破衍射极限的场束缚特性和巨大的场增强效应,非常适合操控单光子发射体的辐射场。近年来,利用金属表面等离激元结构来操控单光子发射体辐射场得到大量的关注。我们基于金属衬底上的表面等离激元波导结构,提出利用结构的对称性操控单光子发射体辐射场面外辐射光斑形状分布和偏振性质;提出在金属衬底和介质条中间插入厚度可控的纳米介质膜来控制量子点的垂直位置,从而进一步增强波导中单光子发射体的自发辐射速率;利用金属衬底波导的低损耗和模式不截止特性,在波导-狭缝结构中实现了超亮单光子发射体和高效的单光子面内引导。

高品质铌酸锂微腔中的非线性光学新效应

林锦添1,2, 方致伟1, 汪旻1, 姚妮3,方伟3, 薄方3, 程亚1,2

(1 华东师范大学, 上海 200062;2 中国科学院上海光机所, 上海 201800;3 浙江大学, 浙江 杭州 310027;4 南开大学, 天津 300457)

铌酸锂薄膜微腔具有很高的品质因子(～107)和很小的模式体积,在片上非线性频率转换、光学频率梳和光力学等领域有重要的潜在应用前景。近期,我们在高品质的铌酸锂薄膜微盘腔中实现了丰富的非线性光学效应:(1)对X 切的单晶微盘腔,通过设计微腔的几何结构色散,利用了铌酸锂最大的二阶非线性光学系数d33,实现了宽谱的、高效的二次谐波产生和级联三次谐波产生,归一化转换效率分别达到10%/mW 和1%/mW2;(2)通过光纤锥与微盘腔耦合时引入弱的微扰,在非变形的微盘腔中观测到多边形和星型的高品质光学模式,并实现了高效(4.9%/mW)的二次谐波产生、具有高的本征力学品质因子(336)的光力学振荡以及光频梳产生;(3)通过耦合微腔产生的模式劈裂,在微腔正常色散区实现了二次谐波引发的高效级联四波混频效应和受激拉曼散射。

表面非线性光谱学及其在新能源界面体系的应用

田传山

(复旦大学, 上海 200438)

在实际器件的界面中,不同深处的结构对界面特性和功能的影响有显著差别。因此,发展可将界面结构分层表征的表面非线性光谱理论和技术,是原位探索界面结构和能量转移微观机制的关键。基于表层和深层分子的非线性响应对光波矢依赖性的本征差异,我们提出了通过界面层间干涉获取界面相位信息,进而发展了界面结构的层析理论方法和实验方案,突破了过去无法将有限厚度界面的表层与深层结构分离表征的瓶颈,首次在实验上获得了直接参与界面物质、能量交换的表层分子的微观结构。将该技术应用于实际新型能源界面,即柔性发电器件界面和可燃冰界面,理清了该界面能量转化和存储的微观机理,进而提出了改善效率的解决方案。

基于非线性谐振腔的高效率脉冲压缩及其在高次谐波中的应用

张盛1, 付宗源1, 朱冰冰1, 范广宇2, 陈玉东1, 王顺甲1刘雅欣1, Andrius Baltuska2, 金成3, 田传山1, 陶镇生1

(1 应用表面物理国家重点实验室, 上海 200433;2 Institute of Photonics,TU Wien, Vienna, Austria;3 南京理工大学理学院, 江苏 南京 210094)

产生具有高质量空间模式的高能量超短激光脉冲是超快和强场光学物理发展的关键技术。这通常可以通过非线性频谱展宽和脉冲压缩技术实现,而实现优质脉冲压缩的关键是控制高能量飞秒脉冲在Kerr 非线性作用下达到稳定传播的条件。我们提出在周期性排布的层状Kerr 非线性介质中产生的空间光孤子状态可以为超连续谱产生和脉冲压缩提供一个优质的条件。通过实验和理论的研究,成功发现了这些光孤子态,证明了其空间横向尺度和非线性相位间的关系,并且揭示了这些光孤子态独特的稳定性条件。实验结果展示了复杂的时空耦合传播会强烈地影响光孤子的光谱、空间和时间结构。利用这些光孤子独特的性质,证明了单级脉冲压缩可以将激光脉冲从初始的170 fs 压缩至22 fs,并达到大于80%的空间和时间效率。理论模拟显示,该亮度是对应波长、脉冲宽度的极限亮度。优质的高亮度高次谐波产生也直接证明了高效率脉冲压缩方案极佳的压缩效果。结合近年来长脉冲宽度的Yb 飞秒激光器系统的快速发展,相信所提出方法可以提供一种普适的、简易的、稳定高效的脉冲压缩工具。

自共振效应驱动乙醇分子高阶受激拉曼散射

王莹, 刘晓枫, 门志伟

(吉林大学, 吉林 长春 130012)

众所周知,受激拉曼散射(SRS)可以通过泵浦激光与工作介质之间的强相互作用来敏锐地反映不同条件下样品化学结构、相、形态、结晶度以及分子相互作用的详细信息。除此之外,SRS 还可以通过拉曼频移来产生新的波长的激光。SRS 的峰来源于自发拉曼噪声放大,只有最强的拉曼光谱带被选择性增强,其他峰则受到抑制。因此,在正常的SRS 现象中,只能观察到该峰。但是,外界条件的改变如泵浦能量的增加,会产生SRS 级联效应。高阶斯托克斯线具有许多优点和应用,如:可以实现双波长和多波长激光操作;可以净化光束并压缩脉冲宽度以获得具有高光束质量和高光谱纯度的激光器等。因此对其进行研究具有重要意义。

本文采用532 nm 激光来研究乙醇分子的SRS 过程。在双样品池情况下,将第一个样品池乙醇出射的斯托克斯光作为第二个样品池的入射激光,来激发第二个样品池中乙醇的高阶SRS。并发现在同等条件下,双样品池下第二个样品池出现斯托克斯信号的阈值要明显低于单个样品池的情况。此外,对于单个样品池而言,最多只能探测到乙醇分子的二阶斯托克斯信号。而对于双样品池中第二个样品池而言,能探测到乙醇分子的三阶以及反一阶斯托克斯信号。对于转换效率而言,单个样品池的转换效率要明显高于双样品池下第二个样品池的转换效率。产生此种现象是由于自共振效应。第一个样品池的出射激光中既含有乙醇的斯托克斯光,又含有泵浦光,二者之间的频率差Δω = ωP-ωS与乙醇分子的CH3对称伸缩振动Ω 相匹配,使得泵浦光信号减弱,乙醇的各阶斯托克斯信号增强。此外在两个样品池的情况下,增加了激光与物质相互作用的距离,这也是使乙醇分子产生级联现象的另一原因。

内模共振效应增强宽带受激拉曼散射研究

任盼盼, 李占龙, 门志伟

(吉林大学物理学院, 吉林 长春 130012)

受激拉曼散射(SRS)是非线性激光效应中发现最早、研究最广的一种效应,其光谱具有多重谱线的特性。苯及其衍生物具有良好的拉曼增益效应,它们有着低阈值、高转换效率等特点,可以获得高阶级联受激拉曼散射谱线。我们以氯苯为研究对象,在实验中观察到氯苯SRS 谱线可达十阶,受激光辐射覆盖了可见光范围。由于氯苯CC 呼吸振动三阶SRS 与CH 一阶伸缩振动SRS 相邻,并且只有CC 三阶SRS 产生的时候,才会伴随CH 一阶SRS 的出现,这归因于二者发生振动模式耦合,激发态能量在CC 和CH 振动能级间发生转移,从而诱导产生一阶CH 伸缩振动峰。这将为实现超连续相干辐射提供一种可能。

受激拉曼散射增强技术及机理研究

窦振国, 孙成林, 门志伟

(吉林大学物理学院, 吉林 长春 130012)

激光的出现使经典的普通拉曼效应获得了新的提高和发展。当激光功率提高时,在一定条件下,使某些介质的散射过程具有受激性质,便产生了受激拉曼散射(SRS),它扩大了相干光辐射的物理机制,丰富了受激发射波长,开拓了强光与物质相互作用的新领域,提供了探索物质结构的新途径。SRS 的增强方式有很多种,如荧光增强、外部种子植入增强、电子吸收共振增强、过剩电子增强等,以上的增强方式我们组工作都有涉及。近些年,谢晓亮课题组在SRS 成像技术方面取得了新进展。我们受其研究启发,又发展了外部共振增强、自共振增强和内共振增强SRS 技术,同时阐明了增强机理。

本文仅介绍外部共振增强SRS 技术,其是利用强的泵浦激光和一束弱的可调谐的激光同时照射受激物质,两束激光频率差与要获得分子振动频率一致,这时分子振动与两束激光形成共振,可以显著降低物质的SRS 阈值、增强SRS 强度。我们利用650 nm 的连续激光,大幅度增强了532 nm 激光激发的水分子O-H 伸缩振动SRS。当连续激光功率为1 mW 时,在3405 cm-1处的O-H 拉伸振动SRS 强度增加了约十个数量级。在加入连续激光后,水中出现两个新的低频肩峰。由于连续激光在焦点的热效应,使得该峰向低波数移动。连续激光不仅降低了水的SRS 的阈值,而且提高了水的SRS 强度。增强机制归因于532 nm 泵浦激光器ωP和650 nm 连续激光器ωS之间的频率差Δω=ωP-ωS与水分子的O-H 拉伸振动频率Ω 相匹配。因此,受激拉曼斯托克斯光束IS的强度获得增益ΔIS(受激拉曼斯托克斯光束增益,SRG),受激拉曼泵浦光束IP的强度产生损耗ΔIP(受激拉曼泵浦光束损耗,SRL),从而实现了SRS 信号的增强。此实验为使用外部共振增强其他物质中弱拉曼信号提供了可能性。

原子在强X射线激光场中的康普顿散射过程

石尚1,3, 杨玉军2, 魏志义1,3, 王兵兵1,3

(1 中国科学院物理研究所光学实验室, 北京 100190;2 吉林大学原子与分子物理研究所, 吉林 长春 130012;3 中国科学院大学, 北京 100049)

采用以量子电动力学为基础的非相对论频域理论,推导并计算了原子在X 射线激光场中的单光子及双光子康普顿散射过程。我们的理论结果得到了最近实验观测到的双光子非线性康普顿散射的红移现象,即散射几率峰值处的散射光子能量明显低于自由电子近似理论给出的预言值。分析表明,双光子康普顿散射过程主要来自于入射光子与散射光子的模式跃迁以及激光场辅助下电子与散射光子的相互作用的贡献。具体来说,由于跃迁过程满足能量守恒,末态电子的动能随散射光子能量的增加而下降;又因为参与跃迁过程的是电子与多光子的纠缠态,这些态的几率幅值随末态电子动量的减小而减小,这样的依赖关系使得散射光信号的峰值位置向更低频区移动,从而造成红移现象。我们的理论研究有助于通过康普顿散射探测原子内部的能级结构。

高效有机太阳能电池中激子扩散超快光谱学研究

张一伟, 张新平

(北京工业大学理学部微纳信息光子技术研究所, 北京 100124)

有机太阳能电池中,活性层吸收光子后产生激子,激子扩散到给体、受体界面处实现分离,从而产生载流子,载流子传输到电极处被电极收集后产生光电流。其中激子扩散是有机太阳能电池产生光电流的重要环节,对器件效率有重要影响。

本研究以时间分辨荧光光谱作为主要的研究工具,通过三种方法,分别研究了高效率有机太阳能电池给体和受体材料中的激子扩散过程。其中激子表面淬灭法是在交联的富勒烯材料和石英衬底上分别制备相同厚度的有机半导体给体薄膜,通过测量在不同衬底上的荧光寿命,得出由激子扩散导致的荧光淬灭,从而计算出激子的扩散长度。激子湮灭法是通过改变激发光的强度,调控产生的激子数量,大量激子由于扩散过程产生相互碰撞,从而导致两个激子湮灭成一个,在超快光谱上表现为荧光寿命的降低。结合激子的扩散方程即可计算出激子的扩散长度。体异质结湮灭法是通过测量不同给体:受体配比的体异质结的荧光寿命的不同,得出由于激子向给体、受体界面处扩散导致的荧光寿命的降低,得出激子的扩散长度。此外,还利用瞬态吸收光谱研究了激子在给体、受体界面的分离过程。

压缩超快成像技术与应用研究进展

齐大龙, 姚云华, 杨承帅, 曹烽燕, 姚佳丽, 张诗按

(华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室, 上海 200241)

压缩超快成像(CUP)技术作为一种结合压缩感知原理与时空偏转成像技术的新型超快光学成像技术,在单次曝光条件下最高可超过数十万亿帧/秒的成像速度及数百张成像帧数。主要围绕该技术在图像采集及图像重构两方面的关键科学问题,分别介绍了通过算法优化以及硬件改进等方式对CUP 实验系统的改进,以及该技术在四维超快光学成像、超快电子衍射及超快时空光场测量等方面的技术拓展及应用。具体包括: 1)提出基于遗传算法的反馈控制系统优化CUP 采样过程中的编码方式,降低编码矩阵与动态场景之间的相关性,提高成像质量,这一方案在实验上获得了验证。2)在传统CUP系统的基础上,提出了运用电光晶体和CMOS 相机替代条纹相机的技术方案,一方面避免了条纹相机光子-电子-光子转化过程中电子库伦效应引起的图像畸变,另一方面降低了成像系统的建设成本。在实验上搭建了基于电光偏转成像的压缩超高速电光偏转成像UEODI 系统。3)在传统的CUP 系统中引入了色散元件,将CUP 系统的分辨能力从三维推进到四维,搭建了具备光谱、空间和时间分辨的四维超快成像HCUP 系统,并利用该系统观测啁啾皮秒超快的光谱、空间和时间多维度演化以及飞秒光诱导的染料发光动力学过程。4)将CUP 技术中光子编码、偏转叠加成像、计算重构的思想应用于超快电子衍射系统中,创造性地提出了基于电子编码的压缩超快电子衍射技术新方案。相比较于传统基于泵浦探测的超快电子衍射技术,新方案通过单次衍射成像,避免电子衍射系统中同步抖动问题造成的信噪比和时间分辨能力降低问题。

Second harmonic generation-based joint transform correlator for human face and QR code recognitions

HONG Ling

(Xiamen University, Xiamen 361005, China)

We propose a nonlinear joint transform correlator (JTC) based on a joint power spectrum via second-harmonic generation(SHG)in the Fourier domain.The fundamental waves of 1064 nm infrared light illuminate the images displayed by a single spatial light modulator.After SHG in a type-II potassium titanyl phosphate crystal in the Fourier domain,the second-harmonic wave of 532 nm visible light yields the correlation signal.We demonstrate the performance of our SHG-based JTC for human face recognition and quick response code recognition.Our work has the potential in various optical information processing applications such as infrared pattern recognition and remote sensing,security verification,target tracking,and optical computing.

基于光热非线性的微纳硅结构远场高分辨成像

张天悦, 车颖, 李向平

(暨南大学光子技术研究院, 广东 广州 511443)

硅光子学由于其在集成纳米光学和全电介质光学中的极大潜力,近年来引起了人们的广泛关注。然而,由于硅的本征非线性较弱,限制了其在超小紧凑器件上主动调控的应用。本报告将介绍利用亚波长硅结构所支持的独特的无极子(Anapole)电磁共振模态,以及矢量光场对电磁模式的选择性激发和灵活调控,可以有效地增强光热非线性,相比于体硅材料,光热非线性系数提高了3 到4 个数量级之多,从而使微纳硅结构光散射响应表现出可逆非线性过程,并具有极大的全光调控范围和接近100%的调制深度。利用激光共聚焦显微系统对纳米硅盘散射成像,能够实现亚波长特征尺度的成像光斑,展示了对亚波长硅结构的精度高达40 nm 的远场超分辨定位成像。

纳米氧化锌对细叶蜈蚣草光合作用的影响

徐长山, 刘洋, 程亮, 刘晓男, 郭佳昕

(东北师范大学物理学院, 吉林 长春 130024)

纳米氧化锌(ZnO NPs)现已被广泛用于生产和生活中,然而,在使用过程中不可避免的会释放在环境中,对生物体造成一定的影响。ZnO NPs 对生物体作用的研究已有许多,与其它毒性物质协同作用的研究正受到更多的关注。本文以细叶蜈蚣草为受试植物,采用叶绿素荧光技术研究加入ZnO NPs 对细叶蜈蚣草光合作用动力学特性的影响。实验中分别用去离子水、Cd2+溶液、ZnO NPs 和Cd2+混合溶液作对比,通过分析细叶蜈蚣草的荧光动力学曲线发现,用ZnO NPs 和Cd2+共同处理蜈蚣草时,与单独Cd2+溶液处理相比,ZnO NPs 的加入在一定程度上缓解了Cd2+对蜈蚣草光合机构的损伤,改善了光合作用参数。加入ZnO NPs 后O-J-I-P 曲线的初始荧光斜率(M0)和J点相对荧光可变强度(Vj)与单独Cd2+溶液处理相比均出现下降,与去离子水的对照组相比有上升趋势。用ZnO NPs 和Cd2共同处理蜈蚣草时,表征单位反应中心吸收的光能(ABS/RC)和用于热耗散的能量(DI0/RC)出现下降的趋势,并均高于去离子水对照组；用于表征电子传递的能量(ET0/RC)有所提升,说明ZnO NPs 增强了细叶蜈蚣草反应中心之间的连通性,对光电子的传递起到了促进作用;光合性能指数PIabs上升尤为明显,达到了162%。这说明ZnO NPs 在提升细叶蜈蚣草对光能的利用率的同时,改善了细叶蜈蚣草的整体光合性能。本文研究结果中ZnO NPs 对细叶蜈蚣草光合作用的影响及作用机制,对寻找缓解重金属离子的植物毒性的有效途径具有一定的意义。