相干介质中空间光场的全光处理方法

In this project, we plan to explore some basic all-optical processing methods for spatial light fields in coherent media based on electromagnetically induced transparency (EIT), where the transmission and interaction properties of spatial light fields will be studied in detail. The proposed methods include all-optical manipulation of stored images, analog operations of slow images, efficient generation of optical vortices and their applications in quantum information. First of all, by utilizing nonlinear optical effects in N-type EIT systems based on stored light, we can investigate the space-dependent modulation for stored images induced by the intensity distributions of signal fields. Moreover, due to the two-photon absorption in resonant N-type EIT systems, it is also possible to create a sinusoidal amplitude grating in coherent media. Combining this grating with a 4f imaging system, spatial filtering can be performed for incident probe fields, thus realizing all-optical analog operations for slow images carried by probe fields. Finally, in Λ-type and tripod EIT systems, we can use elaborate intensity images in coupling fields to induce blazed gratings with complex dislocations in coherent media. By this means, optical vortices with integer or non-integer orbital angular momentum can be generated in the diffracted probe fields with high efficiency. Also, we will consider the relationships between the generation of orbital angular momentum and the spin degree of freedom for probe photons. Our project may provide some optimal models and fundamental guidelines for the applications of coherent media in multidimensional optical classical and quantum information processing with massive parallelism.

本项目拟探索在以电磁感应透明（EIT）系统为代表的相干介质中对空间光场进行全光处理的基本方法，特别关注于介质中空间光场的传输特性和相互作用规律。拟研究的处理方法包括存储图像的全光操控、慢光图像的模拟运算、光学涡旋场的高效生成及其量子信息处理。首先，利用"存储光N构型"EIT系统中的非线性光学效应，系统研究信号场的强度分布对被存储探测场图像的空间调制作用。其次，利用共振N构型EIT系统中的双光子吸收效应可能生成正弦型振幅光栅。将该光栅同4f成像系统相结合可以对入射探测场产生空间滤波效应，实现对图像的全光模拟运算。最后，基于Λ构型和三脚架构型的EIT系统，并利用耦合场中的强度图像，在EIT系统中产生复杂位错型闪耀光栅结构，从而在探测场中高效衍射生成整数或非整数光学涡旋，并讨论其与探测光子自旋间的关系。本项目的研究可能为相干介质在多维并行光学经典与量子信息处理等方面的应用提供优化模型和理论基础。

在量子光学系统中实现对光子的灵活操控可能为量子信息处理提供各种有价值的实现方案。特别是具有横向空间结构的光学图像以及光学涡旋，因其可以实现多维信息编码，从而可能极大地提高光信息处理的容量与速度。在本工作中，基于超冷原子中电磁感应透明系统的巨克尔非线性特性，我们利用弱信号光场中沿角向分布的强度图像对存储于介质中的探测光场进行相位压印，在其中形成非线性吸收损耗几乎可忽略的角向正弦光栅结构。当被存储的探测光场被回收时，在远场处可观测到共线相干叠加的光学涡旋模式。考虑到超冷原子气体的有限尺寸，我们数值计算了回收探测光场的夫琅和费衍射图样分布，以及可表征其拓扑性质的螺旋谱。结果显示，通过调节信号光场的强度与脉冲持续时间等参数可以高效调控衍射涡旋模式。. 对空间多模涡旋光场这一典型光子拓扑态的研究也进一步启发了我们在电子拓扑态方面的研究工作。既然光子拓扑态的引入可以极大地提高光信息处理的速度与容量，那么电子拓扑态能否有助于提高电子信息处理的速度与容量呢？基于这一疑问，我们针对拓扑材料中的电子拓扑态开展了相关研究工作。首先，在磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜中，基于材料中自旋可分辨的能带结构，我们构建了栅控p-n结，并预测了电子拓扑态在隧穿该结构时可能产生的负双折射现象。这一发现为建立全电调制的自旋电子光学提供了有力的平台。其次，在拓扑晶体绝缘体薄膜中，我们发现狄拉克费米子的螺旋自由度可以被电场所灵活地调控，这一点可以直接类比于光学手征超材料对光子螺旋自由度的影响。具体而言，我们发现了其中的增强电子二色性、螺旋开关、螺旋负折射及双负折射等现象。这些针对螺旋自由度的操控方式可能为今后基于螺旋自由度的电子光学与纳米电子学的发展提供理论基础。另外，我们也发现拓扑晶体绝缘体中电子拓扑态的谷自由度可能被应变效应所调控。通过施加不同的应变，可以调整不同狄拉克谷的能隙大小或者相对位置，从而改变电子拓扑态的输运性质。最终可以在压控纳米结构中观察到很强的类法布里-珀罗共振滤波效应。. 本项目的工作促进了我们对光子拓扑态与电子拓扑态等物理领域的理解，为基于各种拓扑体系的量子信息处理提供了更加多样化的理论模型。