Er3?:YAG三能级量子系统中的光学涡旋传输及色散控制光传播

《Scientific Reports》：Optical vortex transfer and dispersion-controlled light propagation in an Er3?: YAG three-level quantum system

　　

摘要

我们研究了梯形结构的Er3?:YAG三能级系统中相干轨道角动量（OAM）的传输以及受色散控制的光传播现象。利用密度矩阵形式和耦合的Maxwell-Bloch方程，我们推导出了包含Er3?离子浓度信息的探测光束和生成光束的解析表达式。研究表明，入射的携带涡旋的探测光束通过一个与浓度相关的和频非线性过程将其OAM传递给生成的光束，同时保持完整的相位和拓扑电荷。通过分析转换效率、空间相位和强度分布，我们确定了能够最大化涡旋传输效率的最佳Er3?浓度（3%）。此外，探测光束和生成光束的吸收光谱和色散光谱揭示了涡旋传输的机制，并表明存在通过调节浓度实现快速传播与慢速传播状态之间转换的可能性。这些结果证明了Er3?:YAG是一个适用于相干光操控的理想固态平台，能够实现高效的涡旋光束频率转换和色散工程，对于基于经典和量子OAM的通信协议、波长兼容的OAM接口以及慢光光子信号处理具有潜在的应用价值。