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在隨機(jī)相位散射光的相干性與渦旋動(dòng)力學(xué)研究中取得進(jìn)展

儀表研發(fā) 2020年07月15日 10:39:21來源:上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 14501
摘要近日,中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所信息光學(xué)與光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)室與美國普林斯頓大學(xué)電子工程系合作。

  【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近日,中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所信息光學(xué)與光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)室與美國普林斯頓大學(xué)電子工程系合作,對具有不同相干長度隨機(jī)相位光束經(jīng)非線性傳播后所形成的散斑場的統(tǒng)計(jì)性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量,觀察到隨著自由光渦旋的產(chǎn)生,散斑場的自關(guān)聯(lián)函數(shù)從冪律衰減退化為指數(shù)衰減。該研究以光子學(xué)系統(tǒng)對凝聚態(tài)物理中的Berezinskii-Kosterlitz-Thouless(BKT)相變理論進(jìn)行量化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,印證非線性光學(xué)與凝聚態(tài)物理、冷原子物理等多個(gè)學(xué)科之間有著某些共同的理論基礎(chǔ),揭示隨機(jī)光場的相關(guān)性與渦旋動(dòng)力學(xué)之間深刻而復(fù)雜的聯(lián)系,為進(jìn)一步探索非平衡態(tài)下的相干-渦旋動(dòng)力學(xué)提供了新的基點(diǎn)。相關(guān)研究成果以Dynamics of the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition in a photon fluid為題,發(fā)表在《自然 光子學(xué)》(Nature Photonics)。
 
  在該光子BKT實(shí)驗(yàn)中,研究人員以輸入光波的隨機(jī)性來模擬一個(gè)二維系統(tǒng)的“溫度”。這可以通過對入射光波進(jìn)行隨機(jī)相位編碼來實(shí)現(xiàn):“溫度”越高意味著隨機(jī)相位的相干長度越短。把經(jīng)過隨機(jī)相位編碼的光束輸入到一個(gè)施加電場的光折變晶體SBN中,并把其偏振態(tài)調(diào)整至與晶體光軸一致,在外加電場的作用下,光在晶體中傳播會(huì)發(fā)生自散焦或自聚焦效應(yīng),這個(gè)過程與二維系統(tǒng)波函數(shù)隨時(shí)間的演化一樣,可以非線性薛定諤方程來描述。通過對晶體輸出面的光場進(jìn)行數(shù)字全息成像,可以重構(gòu)出其相位分布,進(jìn)而確定所有渦旋的位置和數(shù)量。
 
  在不同外加負(fù)電壓情況下,輸出散斑場中新生自由渦旋的數(shù)量與輸入場的“溫度”之間的函數(shù)關(guān)系,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與BKT理論預(yù)測完全一致:當(dāng)系統(tǒng)的“溫度”低于某個(gè)臨界溫度時(shí),沒有自由渦旋的產(chǎn)生,此時(shí)輸出的散斑場保持準(zhǔn)長程有序,其關(guān)聯(lián)函數(shù)滿足冪律衰減。當(dāng)“溫度”高于臨界值后,系統(tǒng)的熵增加,則傾向于產(chǎn)生了新的自由渦旋(因?yàn)闇u旋的能量與熵一樣,都是自然對數(shù)函數(shù))。隨著“溫度”的升高,渦旋數(shù)量增加,渦旋導(dǎo)致場的扭曲,系統(tǒng)的相干性遭到破壞,其關(guān)聯(lián)函數(shù)退化為指數(shù)衰減。通過計(jì)算散斑場的關(guān)聯(lián)指數(shù)清楚地看到系統(tǒng)在這兩個(gè)“態(tài)”之間的轉(zhuǎn)化。
 
  研究工作得到中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金委中德合作小組項(xiàng)目的支持。

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