西安光機所前沿光子學理論研究取得系列進展

2020-11-25 中國科學院

　　基於新型雷射場結構的光場調控是當前光學與光子學領域的重要研究方向。光場調控主要分為線性調控（如調控色散和衍射、角動量、自旋軌道耦合）和非線性調控（調控介質的非線性特性，如非線性光子晶體）兩種手段。在量子多體物理和凝聚態物理領域，如物質的第五態玻色-愛因斯坦凝聚態（前四種物質為固體、液體、氣體和等離子體）也存在類似的調控方法，謂之量子調控——其中實驗科學家最廣為採用的兩種方法是光晶格（線性調控）和費希巴赫共振（非線性調控）。

　　玻色-愛因斯坦凝聚（更廣泛地說，冷原子）是一種天然的非線性物質，因為其內部原子-原子之間的相互碰撞會產生非線性效應；為此，玻色-愛因斯坦凝聚中湧現出諸多非線性現象，比如物質波的四波混頻、亮孤子和暗孤子、渦旋與渦旋晶格、動態不穩定性等。除了在基礎科學研究的重要作用，玻色-愛因斯坦凝聚在實際應用中還具有廣闊的前景，比如用作冷原子幹涉儀、原子雷射器、具有前所未有精度的冷原子鐘和精密測量技術，以及更令人興奮的量子信息處理領域。

　　近期，中國科學院西安光學精密機械研究所瞬態光學與光子技術國家重點實驗室阿秒科學技術研究方向副研究員曾建華團隊在前沿光子學的線性和非線性調控理論研究方面取得系列進展，研究成果發表在Advanced Photonics、Optics Letters、Journal of the Optical Society of America B 等光學期刊上。

　　8月27日，題目為《囚禁於光晶格帶隙中的玻色-愛因斯坦凝聚暗局域模》（Gap-type dark localized modes in a Bose–Einstein condensate with optical lattices）的理論研究工作發表在光學期刊Advanced Photonics。將冷原子束縛於光晶格中為研究各種有趣的物理特性和豐富的非線性動力學現象提供了一個乾淨的、易於實現和精確控制的實驗平臺，這與固體物理中的晶體相比具有顯著的優勢。光晶格作為易實現和易操作的多功能手段，存在類似於半導體材料中的能帶結構，在探索玻色-愛因斯坦凝聚特性和操控其動力學方面具有得天獨厚的優勢，一個標誌性成果就是在實驗中用光晶格實現亮的物質波帶隙孤子。然而，暗的帶隙孤子仍未在實驗中觀測到，其在高維度的物理特性仍然懸而未決。發表在Advanced Photonics 的工作通過嚴格的理論和數值模擬方法，研究了囚禁於一維和二維光晶格帶隙中的冷原子暗局域模的產生和穩定特性，發現了兩類穩定的暗局域模，即暗的帶隙孤子和帶隙孤子簇；同時，研究了在二維結構中這兩類暗局域模所對應的渦旋態。研究工作為在冷原子和光學（使用光子晶體和光學晶格）前沿實驗中觀測暗的局域帶隙波結構開闢了新的途徑。鑑於該工作的創新性和重要性，論文發表當天就被SPIE（國際光學工程學會）主頁選為「Highlighted stories」（亮點故事）並加以宣傳介紹。

　　該團隊在非線性孤子理論方面也取得系列結果，如題目為《純克爾非線性模型/介質中的平頂孤子》（Purely Kerr nonlinear model admitting flat-top solitons）的理論研究工作發表在Optics Letters。文章首次藉助純非線性調控方法預測了一類新型的孤子結構，並通過解析和數值計算兩種方法研究了平頂孤子和非線性激發模(多級偶極子和渦旋)結構的存在條件和穩定性情況。

　　5月17日，題目為《具有空間周期性調製非線性（非線性晶格）的分數薛丁格方程中的一維孤子》（One-dimensional solitons in fractional Schrodinger equation with a spatially periodical modulated nonlinearity: nonlinear lattice）的理論研究工作再度發表在Optics Letters。文章首次結合非線性調控方法和線性衍射調控方法，通過嚴格的理論分析和數值實驗，研究了多種一維孤子結構（基態模和激發模）的產生條件和在各種調製物理參數情況下的穩定特性。此外，題目為《具有空間調製排斥非線性作用的超冷原子中的類高斯和平頂孤子》（Gaussian-like and flat-top solitons of atoms with spatially modulated repulsive interactions）的理論研究工作於7月29日發表在Journal of the Optical Society of America B。

　　以上研究工作得到國家自然科學基金和中科院青年創新促進會的支持。

　　論文連結：1 2 3 4 

 

　　圖1. 二維空間中的帶隙型暗孤子與暗孤子簇的三維結構圖（上行）、俯視圖（中行）及其波形（下行）：位於第一（a）和第二（b）帶隙中的暗孤子；（c）暗孤子簇。[Advanced Photonics 1, 046004 (2019)]

 

　　圖2. 純非線性調控下的一維平頂孤子。基模（a）；偶極（b）和三極（c）激發模。紅線為非線性勢阱形狀。[Optics Letters 44, 001206(2019)]

 

　　圖3. 分數衍射調控和非線性晶格調控下的一維孤子結構。（a）基模與高斯光（虛線）的波形對比；在不同非線性強度（b）、傳播常數（c）和衍射階數（d）下的雷射波形變化情況。[Optics Letters 44, 002661 (2019)]

 

　　圖4. 在空間調製排斥非線性超冷原子中的平頂渦旋波結構的動力學演化。在角動量守恆條件下，渦度為2（第一行）和3（第二行）的渦旋波結構分別演化成2個和3個旋轉的單渦旋。[J. Opt. Soc. Am. B 36, 002278 (2019)]

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