Фемтосекундная лазерная прямая запись блоховских колебаний в оптических решетках Флоке

28 апреля 2024 года команда профессора Шу Сюэвэня из Университета науки и технологий Хуачжун (HUST) в сотрудничестве с командой профессора Сунь Сянькая из Китайского университета Гонконга (CUHK) опубликовала последние результаты исследований. Визуальное наблюдение фотонных процессов. Колебания Флоке-Блоха.
Блоховские осцилляции — это классическое явление когерентного квантового переноса, проявляющееся в виде периодических колебаний квантовых частиц в периодическом потенциальном поле под действием приложенной постоянной силы. Как фундаментальный физический эффект, блоховские осцилляции были обнаружены и исследованы в различных системах, таких как полупроводниковые сверхрешетки, ультрахолодные атомы, связанные массивы волноводов, синтетические размерные фотонные решетки и т. д. Результаты соответствующих исследований не только способствуют развитию фундаментальных физических эффектов. физические исследования, но также предоставляют новые идеи и методы гибкого манипулирования эволюцией волновой функции. Однако исследования явления блоховских колебаний в основном сосредоточены на статических системах, и явление блоховских колебаний в системах с периодическим приводом (флоке) требует дальнейшего углубленного изучения.

Рис. 1. (а) Схема фемтосекундной лазерной волноводной решетки прямой записи. (б) Фотография поперечного сечения экспериментально приготовленного образца. (в) Фотография экспериментально приготовленного образца, вид сверху.
Для решения этой проблемы в данном исследовании исследуется явление блоховских колебаний в системе Фроше с использованием одномерной изогнутой решетки волноводов, подготовленной методом прямой записи фемтосекундным лазером, предлагается общая теория явления блоховских колебаний в оптической решетке Фроше, а также экспериментально визуализируются и наблюдает явление оптических колебаний Фроше-Блоха. Как показано на рис. 1, изгибная траектория волновода в решетке представляет собой составную траекторию, состоящую из круговых изгибов, наложенных на периодические изгибы. В приближении вечерней оси флуктуационное уравнение, описывающее эволюцию переноса света в этой волноводной решетке, математически эквивалентно уравнению Шредингера, описывающему нестационарную эволюцию электронов в периодическом потенциальном поле под действием приложенного электрического поля: направление переноса света в волноводной решетке эквивалентно временному члену в уравнении Шредингера. Кривизна изгибной траектории волновода рассматривается как эквивалентная сила электрического поля, действующая на прошедшую световую волну, при этом круговая изгибающая траектория создает эквивалентную силу постоянного электрического поля, приводящую к блоховским колебаниям, а периодическая изгибающая траектория создает эквивалентное периодическое электрическое поле. сила, вносящая модуляцию Фронке. Таким образом, волноводная решетка позволяет наблюдать явление блоховских колебаний в оптической решетке Флоке.

Рис. 2. (а)-(г) Экспериментальные наблюдения при одиночном возбуждении волновода. (д-з) Экспериментальные наблюдения при возбуждении широким пучком.
В этом исследовании эволюция непрерывного прохождения световых волн в волноводных массивах была визуализирована и обнаружена с помощью волноводной флуоресцентной микроскопии. На рис. 2 показаны режимы дыхания и колебаний явления блоховских колебаний в оптической решетке Фроке при падении одного волновода и падении широкого луча соответственно. Когда период модуляции Флоке не равен любому целому кратному периоду блоховских колебаний, дисперсия Флоке постоянна и равна нулю, а оптические колебания Флоке-Блоха с периодом, являющимся наименьшим общим кратным периода модуляции Флоке и блоховского возникает период колебаний. В остальных случаях дисперсия Флоке уже не равна 0, и пропускание света обычно характеризуется диффузной дифракцией. Кроме того, исследователи теоретически и экспериментально исследовали влияние параметров модуляции Флокея на оптические колебания Флокея-Блоха, выявив уникальную эволюционную природу явления, включая фрактальные спектральные свойства, связанные с периодом модуляции Флокея и Флокеем дробного порядка. туннельные свойства, связанные с амплитудой модуляции Флокея.

Рис. 3. (а) Фрактальные спектральные свойства оптических колебаний Фроке-Блоха. (б) Туннельные свойства Флоке-Блоха дробного порядка оптических колебаний Флоке-Блоха.
Визуальное наблюдение оптических колебаний Флоке-Блоха открывает новый механизм эволюции волновой функции, имеющий большое значение как в фундаментальных исследованиях, так и в практических приложениях. С точки зрения фундаментальных исследований, теоретическая модель и экспериментальная платформа поддерживают дальнейшее исследование новых явлений, возникающих в результате взаимодействия конструкции и модуляции колебаний Фрохике-Блоха с бинарными решетками, неэрмианскими решетками и оптическими нелинейностями; В практических приложениях оптические колебания Флоке-Блоха представляют собой, по существу, явление когерентного переноса и, таким образом, могут быть распространены на различные исследования. платформы, такие как синтетические решетки в частотной области, холодные атомы, кристаллы пространства-времени и квантовые блуждания, и, как ожидается, будут использоваться для реализации преобразования частоты, прецизионных измерений и манипулирования различными видами передачи волн.