軌道角動(dòng)量光的制備、探測及演化的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、人類對(duì)光的認(rèn)識(shí)帶來了文明的飛躍，對(duì)光的運(yùn)用推動(dòng)了科技的進(jìn)程。光已成為了人類生活中不可或缺的一部分。對(duì)于光的本質(zhì)的思考深刻地反映并影響著人類的世界觀，起初以牛頓(I.Newton，1642-1727)為代表的微粒理論支持者認(rèn)為光是旋轉(zhuǎn)的微粒，并成功解釋了光的反射與折射。這個(gè)時(shí)期世界被認(rèn)為是精密的機(jī)械系統(tǒng)。而以惠更斯(C.Huygens，1629-1695)為代表的波動(dòng)理論支持者卻能更好地解釋光的干涉與衍射。但他們認(rèn)為以太物質(zhì)是光波的載體，

2、這是源于人們世界觀的阻礙。直到麥克斯韋（J.C.Maxwell，1831-1879）將光學(xué)與電磁學(xué)統(tǒng)一在了一起，人們才漸漸認(rèn)識(shí)到電磁波是一種基本的存在，從而有了場的概念。隨后以愛因斯坦(A.Einstein,1879-1955)為代表的“光量子”支持者基于光電效應(yīng)使微粒理論以新的形式復(fù)活了。如今量子力學(xué)的觀念使人類對(duì)光有了全新的認(rèn)識(shí)，波動(dòng)理論和微粒理論被認(rèn)為是同時(shí)有效的，這令我們拋棄了決定論因果律原理。對(duì)光的理解和運(yùn)用為人類打開了探索微

3、觀世界和觀察宏觀宇宙的窗口，激光的發(fā)明使光既可以成為威力強(qiáng)大的武器，也可以成為精密的加工工具。而最激動(dòng)人心的是人類基于對(duì)光的自由度的認(rèn)識(shí)所發(fā)展起來的精密光學(xué)測量和高速光通信技術(shù)。近年來人們認(rèn)識(shí)到光除了具有偏振和頻率自由度之外，還具有軌道角動(dòng)量自由度。軌道角動(dòng)量光束特殊的空間結(jié)構(gòu)和高維特性使其在高速光通信、量子信息和精密測量領(lǐng)域都有著廣闊的前景。
　　本論文主要對(duì)軌道角動(dòng)量光束的制備方法、探測手段以及它在原子系綜中的演化特性進(jìn)行了介

4、紹和實(shí)驗(yàn)研究。由于軌道角動(dòng)量光是高階模式，不能在已有的商用光纖中傳輸，這限制了它的推廣和應(yīng)用。為了結(jié)合空間和光纖通信網(wǎng)絡(luò)，我們發(fā)明了模式轉(zhuǎn)碼器，從而實(shí)現(xiàn)了空間軌道角動(dòng)量模式與光纖中時(shí)間脈沖模式的相干轉(zhuǎn)換。軌道角動(dòng)量光在測量上的應(yīng)用也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，我們根據(jù)軌道角動(dòng)量光在原子系綜中的磁致旋轉(zhuǎn)效應(yīng)開發(fā)了磁場測量的新方法。另外軌道角動(dòng)量模式的高維特性能夠極大地提高光存儲(chǔ)的容量，但限制容量提升的因素卻沒有得到充分的研究，我們發(fā)現(xiàn)并解釋了軌道角

5、動(dòng)量光在存儲(chǔ)過程中的橫向退相干機(jī)制。此外軌道角動(dòng)量模式在量子信息領(lǐng)域也有著重要應(yīng)用，而制備最大糾纏態(tài)光子對(duì)是將其應(yīng)用于量子通信的關(guān)鍵技術(shù)，我們開發(fā)了利用軌道角動(dòng)量泵浦光制備光子對(duì)的方法，提高了三維最大糾纏態(tài)光子對(duì)的產(chǎn)生率。本論文的研究工作對(duì)于未來發(fā)展基于軌道角動(dòng)量自由度的高維光通信網(wǎng)絡(luò)以及精密測量技術(shù)具有重要的參考價(jià)值。
　　具體研究內(nèi)容如下:
　　1.綜合性介紹了軌道角動(dòng)量光束不同的制備和探測方法，并實(shí)驗(yàn)研究了光學(xué)坐標(biāo)變換

6、和空間-時(shí)間模式轉(zhuǎn)換的探測方法。在對(duì)軌道角動(dòng)量光束的理論形式及其物理圖像進(jìn)行介紹后。具體描述了通過螺旋相位片、空間光調(diào)制器和柱透鏡來制備軌道角動(dòng)量光束的方法。探測方法主要講解了投影測量和級(jí)聯(lián)干涉的方法，并且實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了光學(xué)坐標(biāo)變換和空間-時(shí)間模式轉(zhuǎn)換的方法。
　　2.自主研發(fā)了時(shí)間脈沖與軌道角動(dòng)量脈沖之間相干轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)碼器。在對(duì)目前軌道角動(dòng)量光主要的探測方法進(jìn)行研究之后，我們利用軌道角動(dòng)量光在光學(xué)腔內(nèi)的模式特征對(duì)入射脈沖進(jìn)行模式篩選，

7、并引入一個(gè)帶有螺旋相位片的光學(xué)環(huán)路來實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換。實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了四個(gè)軌道角動(dòng)量模式低串?dāng)_的相干轉(zhuǎn)換，并證明逆向轉(zhuǎn)換也是可行的。
　　3.利用原子蒸汽中的非線性法拉第效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了弱磁場的測量。基于原子蒸汽在磁場中的圓偏振雙折射特性，同時(shí)利用軌道角動(dòng)量和偏振的混合疊加態(tài)光束特殊的相位結(jié)構(gòu)，使得磁致旋轉(zhuǎn)效應(yīng)可視化，并通過對(duì)旋轉(zhuǎn)角進(jìn)行數(shù)值分析，實(shí)現(xiàn)了磁場的精確測量。
　　4.研究了軌道角動(dòng)量光在原子存儲(chǔ)過程中所特有的方位角方向的退相干效應(yīng)

8、。理論分析了在存儲(chǔ)過程中由原子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的相位結(jié)構(gòu)的退相干，并通過在耦合光上加載軌道角動(dòng)量，實(shí)現(xiàn)了高軌道角動(dòng)量光的存儲(chǔ)。
　　5.實(shí)驗(yàn)研究了軌道角動(dòng)量糾纏光子對(duì)的制備方法及其糾纏特性。在熱原子系綜中通過在兩束泵浦光上加載相反的軌道角動(dòng)量，使糾纏維度得到了提高，并且最大糾纏態(tài)光子對(duì)的產(chǎn)生率也顯著提高了。在冷原子系綜中，通過空間光調(diào)制器投影測量研究了軌道角動(dòng)量基下的位置-動(dòng)量Einstein-Podosky-Rosen(EPR)

9、糾纏特性。
　　本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1.首次實(shí)現(xiàn)了軌道角動(dòng)量模式與時(shí)間脈沖模式之間高效率的相干轉(zhuǎn)換。實(shí)驗(yàn)上將帶有不同軌道角動(dòng)量的空間光脈沖轉(zhuǎn)換成了可以在光纖中傳播的不同時(shí)間的脈沖，并且通過輸入疊加態(tài)的脈沖證明了相干性在轉(zhuǎn)換過程中得到了保持。由于光學(xué)腔具有高效地模式過濾特性，因此這種轉(zhuǎn)換方案引起的串?dāng)_很低。同時(shí)可以逆向地將光纖中的時(shí)間脈沖轉(zhuǎn)換成軌道角動(dòng)量脈沖。這種方案對(duì)于未來構(gòu)建包括空間和光纖通信的混合光通信網(wǎng)絡(luò)具有

10、重要的參考價(jià)值。
　　2.首次利用軌道角動(dòng)量光束在原子蒸汽中的磁致旋轉(zhuǎn)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了磁場的精確測量。實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了精度為0.8mG的地磁場測量，測量精度可以通過提高圖像的分辨率進(jìn)一步優(yōu)化。由于原子蒸汽是各向同性的，因此可以利用非線性法拉第旋轉(zhuǎn)過程中的兩個(gè)拐點(diǎn)來確定絕對(duì)零磁場點(diǎn)，從而消除零點(diǎn)漂移。該方法能夠準(zhǔn)確測量出背景磁場的強(qiáng)度和方向，并且非線性法拉第效應(yīng)在零磁場附近非常敏感可以實(shí)現(xiàn)弱磁場的精確測量。該研究對(duì)于磁場的測量以及軌道角動(dòng)量光束

11、的調(diào)制都具有參考價(jià)值。
　　3.首次觀察到軌道角動(dòng)量光在存儲(chǔ)過程中所特有的方位角方向的退相干效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)上觀察到不同軌道角動(dòng)量光在熱原子存儲(chǔ)過程中具有不同的壽命。理論分析了原子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)對(duì)自旋波橫向的相位結(jié)構(gòu)的影響，并給出了存儲(chǔ)壽命與自旋波拓?fù)浜纱笮〉年P(guān)系。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論的可靠性，并通過在耦合光上加載軌道角動(dòng)量提高了軌道角動(dòng)量光的存儲(chǔ)壽命。該研究對(duì)于利用軌道角動(dòng)量光實(shí)現(xiàn)基于原子系綜的大容量存儲(chǔ)具有重要的參考價(jià)值。
　　4.首次