《相干介質中空間光場的全光處理方法》是依託北京航空航天大學，由趙路擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：相干介質中空間光場的全光處理方法
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：趙路
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目擬探索在以電磁感應透明（EIT）系統為代表的相干介質中對空間光場進行全光處理的基本方法，特別關注於介質中空間光場的傳輸特性和相互作用規律。擬研究的處理方法包括存儲圖像的全光操控、慢光圖像的模擬運算、光學渦旋場的高效生成及其量子信息處理。首先，利用存儲光N構型EIT系統中的非線性光學效應，系統研究信號場的強度分布對被存儲探測場圖像的空間調製作用。其次，利用共振N構型EIT系統中的雙光子吸收效應可能生成正弦型振幅光柵。將該光柵同4f成像系統相結合可以對入射探測場產生空間濾波效應，實現對圖像的全光模擬運算。最後，基於Λ構型和三腳架構型的EIT系統，並利用耦合場中的強度圖像，在EIT系統中產生複雜位錯型閃耀光柵結構，從而在探測場中高效衍射生成整數或非整數光學渦旋，並討論其與探測光子自旋間的關係。本項目的研究可能為相干介質在多維並行光學經典與量子信息處理等方面的套用提供最佳化模型和理論基礎。
結題摘要
在量子光學系統中實現對光子的靈活操控可能為量子信息處理提供各種有價值的實現方案。特別是具有橫向空間結構的光學圖像以及光學渦旋，因其可以實現多維信息編碼，從而可能極大地提高光信息處理的容量與速度。在本工作中，基於超冷原子中電磁感應透明系統的巨克爾非線性特性，我們利用弱信號光場中沿角向分布的強度圖像對存儲於介質中的探測光場進行相位壓印，在其中形成非線性吸收損耗幾乎可忽略的角向正弦光柵結構。當被存儲的探測光場被回收時，在遠場處可觀測到共線相干疊加的光學渦旋模式。考慮到超冷原子氣體的有限尺寸，我們數值計算了回收探測光場的夫琅和費衍射圖樣分布，以及可表征其拓撲性質的螺旋譜。結果顯示，通過調節信號光場的強度與脈衝持續時間等參數可以高效調控衍射渦旋模式。對空間多模渦旋光場這一典型光子拓撲態的研究也進一步啟發了我們在電子拓撲態方面的研究工作。既然光子拓撲態的引入可以極大地提高光信息處理的速度與容量，那么電子拓撲態能否有助於提高電子信息處理的速度與容量呢？基於這一疑問，我們針對拓撲材料中的電子拓撲態開展了相關研究工作。首先，在磁性摻雜拓撲絕緣體薄膜中，基於材料中自旋可分辨的能帶結構，我們構建了柵控p-n結，並預測了電子拓撲態在隧穿該結構時可能產生的負雙折射現象。這一發現為建立全電調製的自旋電子光學提供了有力的平台。其次，在拓撲晶體絕緣體薄膜中，我們發現狄拉克費米子的螺旋自由度可以被電場所靈活地調控，這一點可以直接類比於光學手征超材料對光子螺旋自由度的影響。具體而言，我們發現了其中的增強電子二色性、螺旋開關、螺旋負折射及雙負折射等現象。這些針對螺旋自由度的操控方式可能為今後基於螺旋自由度的電子光學與納米電子學的發展提供理論基礎。另外，我們也發現拓撲晶體絕緣體中電子拓撲態的谷自由度可能被應變效應所調控。通過施加不同的應變，可以調整不同狄拉克谷的能隙大小或者相對位置，從而改變電子拓撲態的輸運性質。最終可以在壓控納米結構中觀察到很強的類法布里-珀羅共振濾波效應。本項目的工作促進了我們對光子拓撲態與電子拓撲態等物理領域的理解，為基於各種拓撲體系的量子信息處理提供了更加多樣化的理論模型。
