光涡旋孤子的拉比振荡

来源：中国激光

Kaichao Jin, Yongdong Li, Feng Li, Milivoj R. Belić, Yanpeng Zhang, Yiqi Zhang. Rabi oscillations of azimuthons in weakly nonlinear waveguides[J]. Advanced Photonics, 2020, 2(4): 046002

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。非线性光学中存在一类携带角动量的光孤子——涡旋孤子。如果对涡旋孤子引入方位角调制，得到的就是方位角调制涡旋孤子(azimuthons)。如图1所示为在不同调制强度下的方位角调制涡旋孤子。方位角调制为编码和加密光学信息提供了新的自由度。

图1. 方位角调制强度分别为0，0.5和1的方位角调制涡旋孤子

01

稳定旋转的方位角调制涡旋孤子

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，由于它们鲁棒性差，很容易受到调制不稳定性的影响，这意味着在传播过程中方位角调制涡旋孤子会发生破裂。

西安交通大学张贻齐副教授研究小组理论展示了在弱非线性波导中可以稳定传播较长距离的方位角调制涡旋孤子。研究表明势阱的深度与波导的横向尺寸密切相关，因此弱非线性光波导可以通过多模光纤实现。由于研究选取的参数所对应的色散长度在数百米级别，因此完全可以不用考虑色散问题，使得研究可以重点关注空间效应。

研究小组选出光波导一对简并的模式，例如偶极模式，为其中一个模式引入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叠加模式。在非线性机制的作用下，该叠加模式会在传播过程中以稳定的角速度旋转并在较大距离内保持形状不变。这个叠加模式就是可以稳定传播的“方位角调制涡旋孤子”。

02

不同方位角调制涡旋孤子的转换

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。在光学中，对光波导的折射率引入微弱的纵向周期调制，可以实现不同模式之间的相互转换，这就是光学拉比振荡（如图2所示）。其中微弱的纵向周期调制发挥的就是周期驱动场的作用。光学拉比振荡的研究大都局限于线性范畴，而光学非线性可以提供更加新颖有趣、更具应用潜力的物理现象。

图2. 光学拉比振荡。左图中为波导中的前三个模式，右图为第一个和第三个模式之间的拉比振荡。

张贻齐副教授研究小组基于弱非线性光波导模型，引入微弱的纵向周期调制，成功实现了方位角调制涡旋孤子之间的相互转换——非线性模式的拉比振荡，填补了学界非线性模式拉比振荡研究的不足。

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地传播，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，实现了涡旋孤子稳定旋转过程中的相互转换。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作用。

图3. 偶极(a)和六极(b)方位角调制涡旋孤子的拉比振荡。弱纵向周期调制仅存在于30≤z≤90