无磁光场非互易放大
2019-12-08

华东理工大学理学院龚尚庆教授团队,联合新加坡国立大学龚江滨教授,利用普遍存在的原子热运动和拉曼增益,在无磁光场非互易放大方面取得重要研究进展,相关研究成果以“Nonreciprocal Amplification with Four-Level Hot Atoms”为题发表在Physical Review Letters [123, 033902 (2019)]上。

在光通讯、光信息处理等过程中,往往需要光的单向放大来实现噪声的抑制,达到保护光源的目的。但由于光在一般介质中(线性、时间无关)具有双向传输的互易性,即向左传播和向右传播是可逆的,因而对光的放大一般也具有互易性。现有的无磁非互易放大理论方案主要采用约瑟芬森电路、非厄米系统、光力系统等,而现有的实验上实现光波波段光场单向放大的两个工作都是采用腔光力系统,方案依赖于高品质光学腔的制备和调控。

研究人员通过巧妙设计,将原子热运动导致的多普勒效应和拉曼增益结合,提出了可在自由空间实现光波波段非互易放大的原创性方案,并在实验上进行了验证。常温铷原子气体中完成的相关实验,获得了26dB的前向放大和30dB的反向隔离,该指标为当前报道的最高实验指标。


图(a)理论模拟的前向和反向透过率随控制场和泵浦场的变化(色条数字表示放大倍数);(b)实验测得的前向和反向透过率(纵坐标是归一化的透过率)。

当信号光和控制光同向传输时,其感受到的多普勒效应和控制光场相同,此时信号光可以无吸收通过。在泵浦光场的作用下,增益通道打开,信号光被急剧放大。反之,信号光被强烈吸收。这一原创性方案为常温工作、易于调控、小型化可集成的无磁非互易放大器研制提供了新的途径。

该团队的林功伟副教授、张示城特聘副研究员为论文共同一作,论文通讯作者为钮月萍教授和龚尚庆教授,共同通讯作者还包括新加坡国立大学的龚江滨教授。该项研究得到了国家自然科学基金委、上海市科委、华东理工大学一流学科建设经费的资助。

论文链接:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.033902

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