清华大学物理系在光学非互易研究中取得进展

近日,物理系刘永椿副教授等人提出基于热原子碰撞实现高性能光学非互易的方法,实验实现了同时具有高隔离度(~ 40dB)、宽隔离带宽(> 1.2GHz)和低插入损耗(< 1dB)的光学非互易。该工作为高性能光学非互易器件的设计提供了重要的思路,在集成光学和量子网络等领域具有广泛的应用前景。

洛伦兹互易是电磁学中的一个重要定理,它指出将源和观察点的位置互换,产生电磁场的效果是一样的。在光频段,实现光的非互易传输,不仅在基础科学研究方面具有重要的意义,而且在设计隔离器、环形器、定向放大器等多种器件方面起着不可或缺的作用。

清华大学物理系在光学非互易研究中取得进展

图1  实验设计和典型实验结果。(a)和(b)为实验设计图,(a)表示同向传输的情况,(b)表示反向传输的情况。(c)和(d)为典型实验结果,(c)画出了探测光的透过率谱,(d)是对应的隔离度和对比度。(c)和(d)中阴影部分表示隔离度大于20 dB的频率范围。

通常情况下,热原子碰撞会带来退相干等负面影响,是实验上需要避免的。该项研究发现对于实现光学非互易来说,原子相干性并非最重要的影响因素,原子在基态能级之间的布居差起着更关键的作用。基于充有铷87原子和缓冲气体的原子气室,利用两束控制光(图1中的耦合(Coupling)光和开关光(Switching)光),他们实现了铷87原子基态能级的布居数与探测光运动方向的锁定,使探测光与控制光同向传输时被强烈吸收,而与控制光反向传输时却几乎不被吸收,即实现了探测光的非互易传输。通过结合缓冲气体原子碰撞引起的碰撞展宽和原子热运动引起的多普勒展宽,并进一步利用展宽引起的相邻能级共振谱线的交叠,极大地实现了隔离带宽的增加。实验的典型结果如图1(c)-(d)所示,最高隔离度达40 dB,同时隔离度大于20 dB的频率范围超过1.2 GHz,该带宽比原子光谱的自然线宽大了超过两个数量级。

该研究成果以“碰撞诱导的宽带光学非互易”(Collision-Induced Broadband Optical Nonreciprocity)为题发表在国际权威期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。物理系2018级博士生梁超和已出站的博士后刘贝(现为山东大学副研究员)为论文共同第一作者,刘永椿副教授为通讯作者。该研究工作得到了基金委、科技部、清华大学低维量子物理国家重点实验室、量子信息前沿科学中心和广东省科技厅的资助。

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