基于铷原子四波混频轨道角动量转移研究.pdf

摘要

在当今信息化的时代，对信息传输速率和容量的需求都持续呈指数级增长，导

致现代光通信系统面临着极其严重的挑战。随着现代科学技术的进步与发展，具有

独特空间或时空特性的结构光场为提高经典和量子光通信的信道容量奠定了基础。

光通信系统容量的增加是通过不断开发光子的各个维度实现的，包括时间、偏振、

频率、振幅和相位等，特别是携带轨道角动量的涡旋光束在理论上具有无限多个本

征态，使得突破现有系统容量极限成为可能。另一方面，光通信网络覆盖到各种不

同的波段，这就要求在实际应用中根据不同的传输需求建立频率接口。非线性光学

是实现频率转换的唯一途径，可以有效扩展频率范围，涡旋光束在非线性频率转换

中的应用可以使光通信网络进入高维希尔伯特空间以满足大容量的需求，其独特的

空间结构也可以有效提高通信的安全性。

本文基于铷原子四波混频过程，分别利用拉盖尔高斯光束和完美涡旋光束详细

研究了轨道角动量在频率转换过程中的传递与转移，具体研究内容和主要创新点如

下：

第一，理论上分析了几种典型涡旋光束的光场特性，包括拉盖尔高斯光束、贝

塞尔高斯光束和完美涡旋光束，根据四波混频过程做要求的相位匹配和轨道角动量

守恒定律建立了铷原子钻石型能级结构中涡旋光束非线性频率转换的理论模型，通

过模式重叠积分解释了转换效率与空间模式的依赖关系。

第二，实验上在5S1/2-5P3/2-5D5/2-6P3/2-5S1/2钻石型能级结构，分别利用776nm

的拉盖尔高斯光束和780nm的高斯光束作为信号光和泵浦光作用于铷原子蒸气，通

过四波混频过程成功将776nm近红外信号光的轨道角动量完整地传递到420nm蓝

紫色波段。

第三，实验上利用相位型空间光调制器，通过复振幅调制技术制备了半径和环

宽精密可控的完美涡旋光束替代拉盖尔高斯光束并将其应用于铷原子四波混频过程，

结果表明完美涡旋光束的横向结构不变性可以对任意的拓扑荷提供稳定的转换效率。

关键词：铷原子蒸气；四波混频；轨道角动量；涡旋光束

ABSTRACT

Intoday’sinformationage,thedemandsofinformationtransmissionrateandcapacity

continuesareexponentiallygrowing,whichmakesthemodernopticalcommunication

systemsfaceextremelyseriouschallenges.Withtheadvancementanddevelopmentof

modernscienceandtechnology,structuredlightfieldswithspatialorspatio-temporal

characteristicshavelaidthefoundationforimprovingthechannelcapacityofclassicaland

quantumopticalcommunications.Theincreaseinthecapacityofopticalcommunication

systemsisachievedthroughthecontinuousdevelopmentofvariousdimensionsofphotons,

includingtime,polarization,frequency,amplitudeandphase.Inparticular,vortexbeams

carryingorbitalangularmomentumhaveinfinitelymanyeigenstatesintheory,which

makesitpossibletobreakthroughthecapacitylimitsofexistingsystems.Ontheotherhand,

opticalcommunicationnetworksspanvariouswavebands,requiringtoestablishfrequency