阅读说明：本技术 一种激子极化激元载体的系统损耗参数检测装置 (System loss parameter detection device of exciton polarization excimer carrier ) 是由 任元 吴昊 刘通 高廷阁 傅百恒 王元钦 丁友� 于 2019-09-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种激子极化激元载体的系统损耗参数检测装置。它主要包括涡旋和泵浦光制备、载体自发辐射信号采集与图像分析终端两部分,前者主要包含激光器、空间光调制器和可调衰减器,后者主要包括采集光路和图像分析终端。首先,激光器产生高斯光束,经空间光调制器制备轨道角动量分别为±l的涡旋光,同时制备受可调衰减器控制光强的泵浦光；随后,涡旋光与泵浦光同时照射到载体表面；然后,利用电荷耦合传感器相机采集载体受激自发辐射干涉图样光信号；最后,利用图像信号处理终端判别干涉图样的稳定区间,通过区间对应的泵浦光强度计算出载体的系统损耗参数。本装置结构简单,操作方便,开辟了一种激子极化激元载体的系统损耗实验测量新方法。(The invention relates to a system loss parameter detection device for an exciton polarization excimer carrier. The device mainly comprises two parts, namely vortex and pump light preparation, carrier spontaneous radiation signal acquisition and an image analysis terminal, wherein the vortex and pump light preparation mainly comprises a laser, a spatial light modulator and an adjustable attenuator, and the image analysis terminal mainly comprises an acquisition light path and an image analysis terminal. Firstly, a laser generates a Gaussian beam, vortex rotation with orbital angular momentum of +/-l is prepared by a spatial light modulator, and pumping light with light intensity controlled by an adjustable attenuator is prepared at the same time; then, simultaneously irradiating vortex rotation and pumping light to the surface of the carrier; then, acquiring a carrier stimulated spontaneous emission interference pattern optical signal by using a charge coupled sensor camera; and finally, distinguishing a stable interval of the interference pattern by using the image signal processing terminal, and calculating the system loss parameter of the carrier according to the pump light intensity corresponding to the interval. The device has simple structure and convenient operation, and develops a new method for measuring the system loss experiment of the exciton polarization excimer carrier.)

一种激子极化激元载体的系统损耗参数检测装置

技术领域

本发明主要涉及凝聚态、光电、信号处理领域，尤其是波粒涡旋叠加态的形成、光束的相位调制、自发辐射图像检测等技术方法。

技术背景

波色爱因斯坦凝聚体(Bose–Einstein condensate，BEC)是上世纪20年代由波色和爱因斯坦提出的气体凝聚态，1995年康奈尔和威曼及其助手在天体物理实验室联合研究所成功实现真正的BEC。近年来人们发现半导体微腔中的激子极化激元系统能够在常温下实现BEC，这一发现极大地激发了人们对半导体微腔激子极化激元的研究热情，其常温超流特性展现出巨大的科研与应用价值。当前世界范围内对半导体微腔中激子极化激元的研究主要集中于的光子-激子耦合、激子极化激元自发辐射、激子极化激元演化特性三个方面。由于半导体微腔材料中激子极化激元体系是非厄米的耗散系统，故以上三方面的理论和实验研究，都必须明确半导体材料本身的损耗系数。然而，目前还缺少直接、简便的损耗系数测量方法和测量设备。

本发明的技术解决问题是：针对当前具有半导体微腔结构的激子极化激元载体材料损耗特性参数难以直接、简便地测量的问题，本发明旨在通过利用半导体微腔激子极化激元自发辐射特性，实现涡旋光Sagnac干涉效应到半导体微腔激子极化激元载体材料的传递，并利用载体材料自发辐射产生的图像信息提取出关键参数，通过简单计算实现对半导体微腔结构的激子极化激元载体材料的系统损耗特性γ的测量。

本发明的技术解决方案是：本发明涉及一种基于波粒涡旋的激子极化激元载体系统损耗特性的检测装置，如图1所示，其主要部件包括：激光器1(1)、水平偏振片(2)、扩束透镜组(3)、分光镜1(4)、空间光调制器SLM1(5)、空间光调制器SLM2(6)、平面反射镜1(7)、平面反射镜2(8)、分光镜2(9)、分光镜3(10)、激光器2(11)、可控衰减器(12)、平面反射镜3(13)、准直透镜组1(14)、分光镜4(15)、物镜(16)、样品仓(17)、准直透镜组2(18)、聚焦空间滤波器(19)、CCD(20)、图像处理终端(21)。首先，激光器(1)产生激光束，通过偏振片(2)之后变为水平偏振光，通过扩束透镜(3)变为所需直径的高斯光束，通过分光镜(4)分为两束，分别照射在空间光调制器1(5)和空间光调制器2(6)上，分别调制出两束轨道角动量互为相反数的涡旋光束，其中一束经平面反射镜1(7)、平面反射镜2(8)后，在分光镜(9)处与另一束涡旋光汇合。同时，由激光器2(11)产生泵浦激光束，通过可控衰减器(12)和平面反射镜(13)后，在分光镜3(10)处与另两束涡旋光汇合。随后，光束通过准直透镜组1(14)、分光镜4(15)和物镜(16)后照射到固定于样品仓(17)的激子极化激元样品表面。此时，样品表面会产生自发辐射的干涉图样。干涉图样通过物镜(16)和分光镜4(15)，随后依次通过准直透镜组2(18)和聚焦空间滤波器(19)滤去泵浦光后，用电荷耦合传感器相机(20)采集激子极化激元自发辐射光斑图像信号，最终由图像信息处理终端(21)进行实时处理和结果计算。通过对可控衰减器(12)的调节，当可控衰减器的衰减值大于一定数值时，光斑无法形成，而当可控衰减器的衰减值小于一定数值时，光斑将呈现发散特征。利用图像信息处理终端寻找光斑开始形成和开始发散对应的时刻，从而利用对应的可控衰减数值成功计算出系统损耗参数γ。

本发明的原理是：

(1)基于薛定谔方程的Gross-Pitaevskii方程

Gross-Pitaevskii(以下简称GP方程)方程反映了非厄米系统中，波色爱因斯坦凝聚(Bose–Einstein condensate，BEC)中激子极化激元与光子之间的能量耦合关系和场分布的时空演化关系。GP方程的表达式如下：

其中，是归一化普朗克常量，ψ(r)是激子极化激元场分布波函数，m是激子极化激元有效质量，V_ext(r)是激子场中的势垒分布；g是非线性相关系数，反映了激子场与光子场间的耦合度；P(r)是泵浦光场分布；η是系统饱和因子；γ是系统损耗参数。在实验研究中，损耗参数是半导体微腔材料最重要的系统参数，它反映了材料的自发辐射性能和随时间演化的稳定性。这个方程的解即ψ(r,t)，它反映了激子极化激元自发辐射场的时空分布，而系统损耗γ和泵浦P(r)对这个解有着最大的影响，泵浦项是在现实中是一个系统之外可控可测的项，所以GP方程通过激子极化激元场分布将外界可测项与系统损耗参数联系起来。

如图5，通过基于龙格库塔方法和实时演化方法可以得出这一关系的数值计算结果，将数值计算结果做统计学处理后，带入解析关系中结果成立。因此，系统损耗与泵浦光强的联系方式可以用以下关系给出：

其中，P_0max是保持激子极化激元自发辐射形成花纹图样不发生发散的最大泵浦光强，P_0min是使得激子极化激元自发辐射能够形成的最小泵浦光强。γ是无量纲的数值，可以根据不同的使用情形量纲化。本发明正是基于这个关系对半导体基激子极化激元载体材料的系统损耗参数进行测量。

(2)基于激子极化激元涡旋叠加态的相位印刻原理

这里的半导体微腔结构如图2(a)所示，它是一种平板式的微腔结构，平板微腔由分布式Bragg反射镜组成，分布式Bragg反射镜则是由两种介电薄膜交替排列而成的介电周期结构。一般在微腔内部光学腔模强度最大的地方嵌入量子微结构材料，如图2(b)所示。嵌入的半导体量子阱提供激子模式，其可与平板微腔内的光学模产生耦合，进而形成它们的耦合模式——激子极化激元，如图2(c)所示。这些激子极化激元分布在半导体微腔中，会自发辐射出光子。

如果此时用具经过特殊设计的有轨道角动量的Gauss光束照射半导体微腔，会激发出激子极化激元的涡旋态。在这个系统中，初始态系统能量需要非零，这里使用形如：

的泵浦光，使系统中的激子极化激元始终处于受激发状态。其中P₀是泵浦光强，e是自然常数，r为径向坐标，r₀为泵浦光斑半径。然而此时受激自发辐射的激子极化激元会在腔内X-Y平面上由内而外运动，其自发辐射形成的光斑将是一个环形，不利于观测和提取特征信号。如果此时用一束形如：

的具有轨道角动量l的涡旋光束去激发激子极化激元，其中P₀′为涡旋光强，l为轨道角动量，i为单位复数，θ为角向坐标，ω为角频率，t为时间。此时涡旋光束的轨道角动量会在光束与激子极化激元发生传递，使得激子极化激元的运动方向发生改变，产生涡旋态。而当使用两束轨道角动量分别为±l的涡旋光束同时激发时，激子极化激元就会产生涡旋叠加态。如图3，宏观上呈现出干涉花纹，这个过程称之为相位印刻，即相干的涡旋光将相干相位印刻到了半导体微腔材料表面。干涉花纹数量为l，遵循圆周对称，相干处激子极化激元场分布|ψ(r,t)|²处于极大值，相消处|ψ(r,t)|²趋近于零，这就为后续的判别与检测创造了很好的条件。

本发明的主要优点：

(1)结构简单，各元器件位置固定，变量仅可控衰减器的衰减幅度，易于控制。

(2)本装置适用范围广。根据设计原理可以看出，由于采用了无量纲的计算方法，只要是在非厄米条件下，本装置所使用的的判别方法在测量各种半导体激子极化激元载体得系统损耗参数时都适用。

(3)本装置测量灵敏度高，动态范围大。采用以干涉条纹的极大、极小值处光斑亮度倍数值为特征值的图像处理模式，可以使特征值更易提取，特征值提取和分析过程可能产生的相对误差小，也具有很大的测量动态范围。

附图说明

图1为检测装置示意图；

图2半导体微腔结构图；

图3量子阱与腔内场分布示意图；

图4涡旋叠加态示意图；

图5泵浦光强与系统损耗关系曲线示意图；

具体实施方案

本发明以涡旋光与半导体微腔中的激子极化激元耦合形成的自发辐射干涉图样为测量载体，具体实施步骤如下：

首先激光器(1)产生激光束，通过偏振片(2)之后变为水平偏振光，因为空间光调制器仅对水平偏振光有良好的调制效果，通过准直扩束透镜(3)组将激光器打出来的光束进行调整。随后，通过分光镜，将光束分成两路，分别照射在加载有如图2(a)、2(b)所示的全息图的两个空间光调制器(5)、(6)上，这样，就能够从两个空间光调制器上反射出如图2(c)、图2(d)所示的涡旋光束，这两束涡旋光的轨道角动量互为相反数。然后，用平面反射镜(7)、(8)以及分光镜(9)将两束涡旋光调整至重合。

同时，由激光器(11)产生激光束，这束激光作为泵浦光。光束通过可调衰减器，实现由控制终端电脑实时调控泵浦光强。调控后的泵浦光束通过平面反射镜(13)汇聚到分光镜(10)。利用分光镜(10)实现两束涡旋光和一束泵浦光的重合。

重合后的三束激光通过准直透镜组(14)汇聚到分光镜(15)，取其中一路使其准直入射到物镜，随后样品仓照射到固定在样品仓半导体微腔激子极化激元载体表面。此时，在泵浦光的能量激发下，半导体微腔中产生激子极化激元，而后这些激子极化激元与两束轨道角动量相反的涡旋光发生耦合，出现自发辐射。由于两束涡旋光分别将相位印刻到激子极化激元，所以自发辐射发生Sagnac干涉，形成花瓣状干涉条纹。

随后干涉条纹通过物镜(16)、分光镜(15)和准直透镜组(18)，进入聚焦空间滤波器(19)，滤去反射的泵浦光干扰项后，被电荷耦合传感器相机(20)采集，最后将实时图像传输至图像信息处理终端(21)进行处理。

图像信息实时处理终端主要是通过图相处理软件对干涉条纹的最大光强值A_max和最小光强值A_min之商取20lg进行处理。随着可控衰减器不断增大泵浦光强衰减值，激子极化激元系统将从发散态变为稳定态而后变为耗散态。此时，20lgA_max/A_min将先逐渐增大，再逐渐变小，此时，用图像信息实时处理终端记录下20lgA_max/A_min两次为2dB时的泵浦光光强，这就是泵浦光使得激子极化激元干涉图样处于稳定态的上/下限，记为pump_max和pump_min，此时根据γ＝(pump_max-pump_min)/2-0.3就可以得到系统的损耗参数γ。

本发明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。