原子气体中多波混频信号的空间调制研究

In multi-level atomic vapor medium, we study the spatial modulation properties of multi-wave mixing (MWM) generated from several laser beams satisfying phase-matching condition by the quantum control methods: 1. The cubic and quintic nonlinearities change with the intensity of laser beams, and if the total nonlinearity can balance the diffraction of MWM, MWM vortex solitons can be obtained. Through atomic coherence method, the competition between the cubic and quintic nonlinearities as well as the concomitant gain and loss can be adjusted, that the mutual transformation among the MWM fundamental solitons, dipole solitons and vortex solitons can be observed. When the balance between the nonlinearity and diffraction, we study the propagation properties of the vortex, necklace and azimuthon MWM modes obtained from multi-beam interference. 2. Electromagnetically induced grating can be induced in the atomic vapors through atomic coherence, and the MWM will be periodically modulated. We study the photonic band gap structures at the suppression and enhancement places, and the Talbot effect of the periodic MWM. 3. Superparameter fluorescence concomitant MWM, that we study its conical emission, and the correlation and entanglement of MWM photons. In addition, we study the evolution of nondiffraction MWM with spatial modulation at the surface between the atomic vapors and dielectric medium.

在多能级原子气体介质中，利用量子调控手段研究多束激光在满足相位匹配条件下产生的多波混频(MWM)的空间调制特性：1.改变激光的强度调节原子介质中三阶非线性和五阶非线性相对大小的变化，在满足非线性与衍射相互平衡的时候可以观察到MWM光涡旋孤子。通过原子相干技术调节在双光子共振位置处三五阶非线性以及伴随的增益和损耗之间的竞争，实现MWM基孤子、偶极孤子和涡旋孤子之间的自由转换。破坏孤子形成条件，利用多光束干涉技术实现MWM信号为涡旋、项链和方位角调制项链模式，分别研究它们在原子介质中的演化特性。2.原子相干可以在原子气体中诱导出电磁光栅，产生的MWM信号受到周期性光栅的调制，研究该光栅抑制增强位置处的带隙结构，周期性MWM的泰伯效应。3.MMW伴随产生的参量超荧光，研究其锥形辐射问题以及相关的MWM光子对关联与纠缠问题。此外，在原子气体与电介质的接触面上，研究空间调制后的MWM无衍射光演化等。

过去一二十年间，有关空间光束控制的研究成为光学研究领域的热门课题，如空间光孤子、光涡旋、无衍射自加速光、PT对称性、光子拓扑绝缘体等。这些课题的研究为光开关、光镊子、光二极管等片上全光控制元器件的研制奠定了基石，为光互联、光计算等技术的发展开辟了道路。但是如何更有效地控制光束的空间行为始终是研究人员关注的方向，并且在研究中出现的新现象和有趣的问题值得人们深入思考。. 本项目以“原子气体中多波混频信号的空间调制研究”为题，对艾里光、光怪波、光子拓扑绝缘体、光涡旋等前沿课题开展了研究，所依托的介质主要是但不局限于原子介质，取得了一系列研究成果，为光束空间控制提供了理论依据。在项目支持下，负责人出版英文学术专著1部；项目组成员发表SCI论文46篇，其中负责人以第一作者及通信作者的有27篇；个人H因子达到11。27篇论文中包括2篇Physical Review Letters及2篇Laser & Photonics Reviews，17篇中科院JCR二区期刊论文，16篇影响因子大于3，单篇最高他引31次，2篇入选ESI高被引论文(前3%)。负责人获陕西省高等学校科学技术一等奖(2016，排名第2)，2016年度陕西省科学技术奖(排名第2)，陕西省第十三届自然科学优秀学术论文三等奖。取得具体成果总结为：.1. 发现了自加速光互作用诱导空间光孤子及光怪波非线性泰伯效应，证实了一类新型的自傅里叶变换光束，得到了傍轴及非傍轴分数自加速泰伯效应。.2. 首次理论研究了原子系综光子拓扑绝缘体，首次在热相干原子气体中实验观测到了PT对称性，并在原子系综中理论和实验证实了光液滴及基、偶和涡旋孤子三者的互转换。.3. 首次从理论上对基于分数薛定谔方程的光束传输动力学问题开展了系统研究，从理论上直接给出了分数薛定谔方程对光束控制的物理图像，为光束空间调控提供了新思路。