西安交大在非线性光学研究方面取得新进展

光涡旋在光学信息处理中起着越来越重要的作用。作为一种信息载体，它提高了信道容量，并且引入了不同于极化、强度、相位和路径的新自由度。非线性光学中通过引入方位角调制涡旋孤子(azimuthons)，为编码和加密光学信息提供新的自由度。方位角调制涡旋孤子，携带轨道角动量，可以在传播过程中以稳定的角速度旋转。但是一般来说它们是不稳定的，这意味着在传播过程中方位角调制涡旋孤子会发生破裂。

西安交通大学电信学部电子学院等离子体与微波电子学研究所张贻齐展示了在弱非线性波导下可以保证方位角调制涡旋孤子稳定传播较长的距离，并且对光波导的折射率引入微弱的纵向周期调制可以使得不同方位角调制涡旋孤子之间发生转换，即实现方位角调制涡旋孤子的光学拉比振荡，填补了学界关于非线性模式拉比振荡研究的空白。理论研究表明势阱的深度与波导的横向尺寸密切相关，这表明弱非线性光波导可以通过多模光纤实现。拉比振荡是以1944年诺贝尔物理学奖获得者伊西多尔·艾萨克·拉比而命名的一种物理现象。在周期驱动场的作用下，粒子可在两个不同能级之间做周期性的跃迁。在光学拉比振荡中，微弱的纵向周期调制发挥的就是周期驱动场的作用。

张贻齐带领研究小组选出一对简并的模式，为其中一个模式引入的相移并对其振幅进行调制，然后与另一个模式线性叠加得到方位角调制涡旋孤子。在非线性机制和微弱的纵向周期调制的作用下，方位角调制涡旋孤子会在传播过程中以稳定的角速度旋转并且在两种模式之间转换——非线性模式的拉比振荡。基于耦合模理论分析得知，拉比振荡主要受纵向调制强度和方位角调制涡旋孤子空间对称性的影响。 可见，在没有纵向周期调制的时候，方位角调制涡旋孤子可以以恒定的旋转角速度稳定的传播，并且波形保持不变；在纵向周期调制的作用下，方位角调制涡旋孤子发生了拉比振荡。由于该研究工作的模型支持拥有较多拓扑荷的高阶方位角调制涡旋孤子，因此可以制备多种形式的携带轨道角动量的光束。研究结果不仅在光学信息处理能力方面有潜在的应用，而且有助于更广泛地理解旋涡动力学在空间光场调控方面所发挥的所用。

近日，该研究以“Rabi oscillations of azimuthons in weakly nonlinear waveguides”为题在线发表于《先进光子学》（Advanced Photonics），西安交大硕士研究生靳凯超为论文的第一作者，张贻齐为通讯作者。

论文链接：http://www.clp.ac.cn/EN/Article/OJf97d3a3e801c67a8

据悉，张贻齐长期致力于非线性光学与拓扑光子学研究。2020年以来，研究小组在拓扑光子学研究领域也取得了一定的研究进展，提出了实现能谷霍尔效应拓扑激光的理论方案，该研究以封面论文的形式发表在国际著名光学期刊Laser & Photonics Reviews上，博士生钟华为该论文的第一作者。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/lpor.202000001

构建了固有第II类狄拉克锥的光晶格，打破了仅依靠光晶格空间对称性难以引发第II类狄拉克锥的观念。该工作以封底论文的形式发表在Advanced Quantum Technologies上，硕士生靳凯超和博士生钟华为该论文的共同第一作者。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/qute.202000015