Abstract

We experimentally demonstrated that infrared light imprinted with orbital angular momentum (OAM) was linearly converted into visible light using four-wave mixing (FWM) via a ladder-type configuration in Rb85 atoms. Simultaneously, we theoretically simulated this linear conversion process, and the theoretical analysis was in reasonable agreement with the experimental results. A large single-photon detuning process was used to reduce the absorption of the atoms to the up-converted light and to avoid pattern formation in the FWM process. The multi-mode image linear conversion process is important for applications including image communications, astrophysics, and quantum information.

© 2012 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. G. Gibson, J. Courtial, M. J. Padgett, M. Vasnetsov, V. Pas’ko, S. M. Barnett, and S. Franke-Arnold, Opt. Express 12, 5448 (2004).
    [CrossRef]
  2. I. B. Djordjevic, Opt. Express 19, 14277 (2011).
    [CrossRef]
  3. A. Mair, A. Vaziri, G. Weihs, and A. Zeilinger, Nature 412, 313 (2001).
    [CrossRef]
  4. M. Harwit, Astrophys. J. 597, 1266 (2003).
    [CrossRef]
  5. C. Barbieri, F. Tamburini, G. Anzolin, A. Bianchini, E. Mari, A. Sponselli, G. Umbriaco, M. Prasciolu, F. Romanato, and P. Villoresi, Earth Moon Planet 105, 283 (2009).
    [CrossRef]
  6. K. Dholakia, N. B. Simpson, M. J. Padgett, and L. Allen, Phys. Rev. A 54, R3742 (1996).
    [CrossRef]
  7. J. Courtial, K. Dholakia, L. Allen, and M. J. Padgett, Phys. Rev. A 56, 4193 (1997).
    [CrossRef]
  8. S. Barreiro, J. W. R. Tabosa, J. P. Torres, Y. Deyanova, and L. Torner, Opt. Lett. 29, 1515 (2004).
    [CrossRef]
  9. S. Brustlein, L. Del Rio, A. Tonello, L. Delage, and F. Reynaud, Phys. Rev. Lett. 100, 153903 (2008).
    [CrossRef]
  10. V. Boyer, A. M. Marino, R. C. Pooser, and P. D. Lett, Science 321, 544 (2008).
    [CrossRef]
  11. J. Leach, B. Jack, J. Romero, A. K. Jha, A. M. Yao, S. Franke-Arnold, D. G. Ireland, R. W. Boyd, S. M. Barnett, and M. J. Padgett, Science 329, 662 (2010).
    [CrossRef]
  12. R. W. Boyd and M. O. Scully, Appl. Phys. Lett. 77, 3559 (2000).
    [CrossRef]
  13. A. G. Radnaev, Y. O. Dudin, R. Zhao, H. H. Jen, S. D. Jenkins, A. Kuzmich, and T. A. B. Kennedy, Nature Phys. 6, 894 (2010).
    [CrossRef]
  14. R. T. Willis, F. E. Becerra, L. A. Orozco, and S. L. Rolston, Phys. Rev. A 79, 033814 (2009).
    [CrossRef]
  15. P. S. Hsu, A. K. Patnaik, and G. R. Weich, Opt. Lett. 33, 381 (2008).
    [CrossRef]
  16. Y. Zhang, Z. Nie, H. Zheng, C. Li, J. Song, and M. Xiao, Phys. Rev. A 80, 013835 (2009).
    [CrossRef]

2011 (1)

2010 (2)

A. G. Radnaev, Y. O. Dudin, R. Zhao, H. H. Jen, S. D. Jenkins, A. Kuzmich, and T. A. B. Kennedy, Nature Phys. 6, 894 (2010).
[CrossRef]

J. Leach, B. Jack, J. Romero, A. K. Jha, A. M. Yao, S. Franke-Arnold, D. G. Ireland, R. W. Boyd, S. M. Barnett, and M. J. Padgett, Science 329, 662 (2010).
[CrossRef]

2009 (3)

C. Barbieri, F. Tamburini, G. Anzolin, A. Bianchini, E. Mari, A. Sponselli, G. Umbriaco, M. Prasciolu, F. Romanato, and P. Villoresi, Earth Moon Planet 105, 283 (2009).
[CrossRef]

R. T. Willis, F. E. Becerra, L. A. Orozco, and S. L. Rolston, Phys. Rev. A 79, 033814 (2009).
[CrossRef]

Y. Zhang, Z. Nie, H. Zheng, C. Li, J. Song, and M. Xiao, Phys. Rev. A 80, 013835 (2009).
[CrossRef]

2008 (3)

P. S. Hsu, A. K. Patnaik, and G. R. Weich, Opt. Lett. 33, 381 (2008).
[CrossRef]

S. Brustlein, L. Del Rio, A. Tonello, L. Delage, and F. Reynaud, Phys. Rev. Lett. 100, 153903 (2008).
[CrossRef]

V. Boyer, A. M. Marino, R. C. Pooser, and P. D. Lett, Science 321, 544 (2008).
[CrossRef]

2004 (2)

2003 (1)

M. Harwit, Astrophys. J. 597, 1266 (2003).
[CrossRef]

2001 (1)

A. Mair, A. Vaziri, G. Weihs, and A. Zeilinger, Nature 412, 313 (2001).
[CrossRef]

2000 (1)

R. W. Boyd and M. O. Scully, Appl. Phys. Lett. 77, 3559 (2000).
[CrossRef]

1997 (1)

J. Courtial, K. Dholakia, L. Allen, and M. J. Padgett, Phys. Rev. A 56, 4193 (1997).
[CrossRef]

1996 (1)

K. Dholakia, N. B. Simpson, M. J. Padgett, and L. Allen, Phys. Rev. A 54, R3742 (1996).
[CrossRef]

Allen, L.

J. Courtial, K. Dholakia, L. Allen, and M. J. Padgett, Phys. Rev. A 56, 4193 (1997).
[CrossRef]

K. Dholakia, N. B. Simpson, M. J. Padgett, and L. Allen, Phys. Rev. A 54, R3742 (1996).
[CrossRef]

Anzolin, G.

C. Barbieri, F. Tamburini, G. Anzolin, A. Bianchini, E. Mari, A. Sponselli, G. Umbriaco, M. Prasciolu, F. Romanato, and P. Villoresi, Earth Moon Planet 105, 283 (2009).
[CrossRef]

Barbieri, C.

C. Barbieri, F. Tamburini, G. Anzolin, A. Bianchini, E. Mari, A. Sponselli, G. Umbriaco, M. Prasciolu, F. Romanato, and P. Villoresi, Earth Moon Planet 105, 283 (2009).
[CrossRef]

Barnett, S. M.

J. Leach, B. Jack, J. Romero, A. K. Jha, A. M. Yao, S. Franke-Arnold, D. G. Ireland, R. W. Boyd, S. M. Barnett, and M. J. Padgett, Science 329, 662 (2010).
[CrossRef]

G. Gibson, J. Courtial, M. J. Padgett, M. Vasnetsov, V. Pas’ko, S. M. Barnett, and S. Franke-Arnold, Opt. Express 12, 5448 (2004).
[CrossRef]

Barreiro, S.

Becerra, F. E.

R. T. Willis, F. E. Becerra, L. A. Orozco, and S. L. Rolston, Phys. Rev. A 79, 033814 (2009).
[CrossRef]

Bianchini, A.

C. Barbieri, F. Tamburini, G. Anzolin, A. Bianchini, E. Mari, A. Sponselli, G. Umbriaco, M. Prasciolu, F. Romanato, and P. Villoresi, Earth Moon Planet 105, 283 (2009).
[CrossRef]

Boyd, R. W.

J. Leach, B. Jack, J. Romero, A. K. Jha, A. M. Yao, S. Franke-Arnold, D. G. Ireland, R. W. Boyd, S. M. Barnett, and M. J. Padgett, Science 329, 662 (2010).
[CrossRef]

R. W. Boyd and M. O. Scully, Appl. Phys. Lett. 77, 3559 (2000).
[CrossRef]

Boyer, V.

V. Boyer, A. M. Marino, R. C. Pooser, and P. D. Lett, Science 321, 544 (2008).
[CrossRef]

Brustlein, S.

S. Brustlein, L. Del Rio, A. Tonello, L. Delage, and F. Reynaud, Phys. Rev. Lett. 100, 153903 (2008).
[CrossRef]

Courtial, J.

Del Rio, L.

S. Brustlein, L. Del Rio, A. Tonello, L. Delage, and F. Reynaud, Phys. Rev. Lett. 100, 153903 (2008).
[CrossRef]

Delage, L.

S. Brustlein, L. Del Rio, A. Tonello, L. Delage, and F. Reynaud, Phys. Rev. Lett. 100, 153903 (2008).
[CrossRef]

Deyanova, Y.

Dholakia, K.

J. Courtial, K. Dholakia, L. Allen, and M. J. Padgett, Phys. Rev. A 56, 4193 (1997).
[CrossRef]

K. Dholakia, N. B. Simpson, M. J. Padgett, and L. Allen, Phys. Rev. A 54, R3742 (1996).
[CrossRef]

Djordjevic, I. B.

Dudin, Y. O.

A. G. Radnaev, Y. O. Dudin, R. Zhao, H. H. Jen, S. D. Jenkins, A. Kuzmich, and T. A. B. Kennedy, Nature Phys. 6, 894 (2010).
[CrossRef]

Franke-Arnold, S.

J. Leach, B. Jack, J. Romero, A. K. Jha, A. M. Yao, S. Franke-Arnold, D. G. Ireland, R. W. Boyd, S. M. Barnett, and M. J. Padgett, Science 329, 662 (2010).
[CrossRef]

G. Gibson, J. Courtial, M. J. Padgett, M. Vasnetsov, V. Pas’ko, S. M. Barnett, and S. Franke-Arnold, Opt. Express 12, 5448 (2004).
[CrossRef]

Gibson, G.

Harwit, M.

M. Harwit, Astrophys. J. 597, 1266 (2003).
[CrossRef]

Hsu, P. S.

Ireland, D. G.

J. Leach, B. Jack, J. Romero, A. K. Jha, A. M. Yao, S. Franke-Arnold, D. G. Ireland, R. W. Boyd, S. M. Barnett, and M. J. Padgett, Science 329, 662 (2010).
[CrossRef]

Jack, B.

J. Leach, B. Jack, J. Romero, A. K. Jha, A. M. Yao, S. Franke-Arnold, D. G. Ireland, R. W. Boyd, S. M. Barnett, and M. J. Padgett, Science 329, 662 (2010).
[CrossRef]

Jen, H. H.

A. G. Radnaev, Y. O. Dudin, R. Zhao, H. H. Jen, S. D. Jenkins, A. Kuzmich, and T. A. B. Kennedy, Nature Phys. 6, 894 (2010).
[CrossRef]

Jenkins, S. D.

A. G. Radnaev, Y. O. Dudin, R. Zhao, H. H. Jen, S. D. Jenkins, A. Kuzmich, and T. A. B. Kennedy, Nature Phys. 6, 894 (2010).
[CrossRef]

Jha, A. K.

J. Leach, B. Jack, J. Romero, A. K. Jha, A. M. Yao, S. Franke-Arnold, D. G. Ireland, R. W. Boyd, S. M. Barnett, and M. J. Padgett, Science 329, 662 (2010).
[CrossRef]

Kennedy, T. A. B.

A. G. Radnaev, Y. O. Dudin, R. Zhao, H. H. Jen, S. D. Jenkins, A. Kuzmich, and T. A. B. Kennedy, Nature Phys. 6, 894 (2010).
[CrossRef]

Kuzmich, A.

A. G. Radnaev, Y. O. Dudin, R. Zhao, H. H. Jen, S. D. Jenkins, A. Kuzmich, and T. A. B. Kennedy, Nature Phys. 6, 894 (2010).
[CrossRef]

Leach, J.

J. Leach, B. Jack, J. Romero, A. K. Jha, A. M. Yao, S. Franke-Arnold, D. G. Ireland, R. W. Boyd, S. M. Barnett, and M. J. Padgett, Science 329, 662 (2010).
[CrossRef]

Lett, P. D.

V. Boyer, A. M. Marino, R. C. Pooser, and P. D. Lett, Science 321, 544 (2008).
[CrossRef]

Li, C.

Y. Zhang, Z. Nie, H. Zheng, C. Li, J. Song, and M. Xiao, Phys. Rev. A 80, 013835 (2009).
[CrossRef]

Mair, A.

A. Mair, A. Vaziri, G. Weihs, and A. Zeilinger, Nature 412, 313 (2001).
[CrossRef]

Mari, E.

C. Barbieri, F. Tamburini, G. Anzolin, A. Bianchini, E. Mari, A. Sponselli, G. Umbriaco, M. Prasciolu, F. Romanato, and P. Villoresi, Earth Moon Planet 105, 283 (2009).
[CrossRef]

Marino, A. M.

V. Boyer, A. M. Marino, R. C. Pooser, and P. D. Lett, Science 321, 544 (2008).
[CrossRef]

Nie, Z.

Y. Zhang, Z. Nie, H. Zheng, C. Li, J. Song, and M. Xiao, Phys. Rev. A 80, 013835 (2009).
[CrossRef]

Orozco, L. A.

R. T. Willis, F. E. Becerra, L. A. Orozco, and S. L. Rolston, Phys. Rev. A 79, 033814 (2009).
[CrossRef]

Padgett, M. J.

J. Leach, B. Jack, J. Romero, A. K. Jha, A. M. Yao, S. Franke-Arnold, D. G. Ireland, R. W. Boyd, S. M. Barnett, and M. J. Padgett, Science 329, 662 (2010).
[CrossRef]

G. Gibson, J. Courtial, M. J. Padgett, M. Vasnetsov, V. Pas’ko, S. M. Barnett, and S. Franke-Arnold, Opt. Express 12, 5448 (2004).
[CrossRef]

J. Courtial, K. Dholakia, L. Allen, and M. J. Padgett, Phys. Rev. A 56, 4193 (1997).
[CrossRef]

K. Dholakia, N. B. Simpson, M. J. Padgett, and L. Allen, Phys. Rev. A 54, R3742 (1996).
[CrossRef]

Pas’ko, V.

Patnaik, A. K.

Pooser, R. C.

V. Boyer, A. M. Marino, R. C. Pooser, and P. D. Lett, Science 321, 544 (2008).
[CrossRef]

Prasciolu, M.

C. Barbieri, F. Tamburini, G. Anzolin, A. Bianchini, E. Mari, A. Sponselli, G. Umbriaco, M. Prasciolu, F. Romanato, and P. Villoresi, Earth Moon Planet 105, 283 (2009).
[CrossRef]

Radnaev, A. G.

A. G. Radnaev, Y. O. Dudin, R. Zhao, H. H. Jen, S. D. Jenkins, A. Kuzmich, and T. A. B. Kennedy, Nature Phys. 6, 894 (2010).
[CrossRef]

Reynaud, F.

S. Brustlein, L. Del Rio, A. Tonello, L. Delage, and F. Reynaud, Phys. Rev. Lett. 100, 153903 (2008).
[CrossRef]

Rolston, S. L.

R. T. Willis, F. E. Becerra, L. A. Orozco, and S. L. Rolston, Phys. Rev. A 79, 033814 (2009).
[CrossRef]

Romanato, F.

C. Barbieri, F. Tamburini, G. Anzolin, A. Bianchini, E. Mari, A. Sponselli, G. Umbriaco, M. Prasciolu, F. Romanato, and P. Villoresi, Earth Moon Planet 105, 283 (2009).
[CrossRef]

Romero, J.

J. Leach, B. Jack, J. Romero, A. K. Jha, A. M. Yao, S. Franke-Arnold, D. G. Ireland, R. W. Boyd, S. M. Barnett, and M. J. Padgett, Science 329, 662 (2010).
[CrossRef]

Scully, M. O.

R. W. Boyd and M. O. Scully, Appl. Phys. Lett. 77, 3559 (2000).
[CrossRef]

Simpson, N. B.

K. Dholakia, N. B. Simpson, M. J. Padgett, and L. Allen, Phys. Rev. A 54, R3742 (1996).
[CrossRef]

Song, J.

Y. Zhang, Z. Nie, H. Zheng, C. Li, J. Song, and M. Xiao, Phys. Rev. A 80, 013835 (2009).
[CrossRef]

Sponselli, A.

C. Barbieri, F. Tamburini, G. Anzolin, A. Bianchini, E. Mari, A. Sponselli, G. Umbriaco, M. Prasciolu, F. Romanato, and P. Villoresi, Earth Moon Planet 105, 283 (2009).
[CrossRef]

Tabosa, J. W. R.

Tamburini, F.

C. Barbieri, F. Tamburini, G. Anzolin, A. Bianchini, E. Mari, A. Sponselli, G. Umbriaco, M. Prasciolu, F. Romanato, and P. Villoresi, Earth Moon Planet 105, 283 (2009).
[CrossRef]

Tonello, A.

S. Brustlein, L. Del Rio, A. Tonello, L. Delage, and F. Reynaud, Phys. Rev. Lett. 100, 153903 (2008).
[CrossRef]

Torner, L.

Torres, J. P.

Umbriaco, G.

C. Barbieri, F. Tamburini, G. Anzolin, A. Bianchini, E. Mari, A. Sponselli, G. Umbriaco, M. Prasciolu, F. Romanato, and P. Villoresi, Earth Moon Planet 105, 283 (2009).
[CrossRef]

Vasnetsov, M.

Vaziri, A.

A. Mair, A. Vaziri, G. Weihs, and A. Zeilinger, Nature 412, 313 (2001).
[CrossRef]

Villoresi, P.

C. Barbieri, F. Tamburini, G. Anzolin, A. Bianchini, E. Mari, A. Sponselli, G. Umbriaco, M. Prasciolu, F. Romanato, and P. Villoresi, Earth Moon Planet 105, 283 (2009).
[CrossRef]

Weich, G. R.

Weihs, G.

A. Mair, A. Vaziri, G. Weihs, and A. Zeilinger, Nature 412, 313 (2001).
[CrossRef]

Willis, R. T.

R. T. Willis, F. E. Becerra, L. A. Orozco, and S. L. Rolston, Phys. Rev. A 79, 033814 (2009).
[CrossRef]

Xiao, M.

Y. Zhang, Z. Nie, H. Zheng, C. Li, J. Song, and M. Xiao, Phys. Rev. A 80, 013835 (2009).
[CrossRef]

Yao, A. M.

J. Leach, B. Jack, J. Romero, A. K. Jha, A. M. Yao, S. Franke-Arnold, D. G. Ireland, R. W. Boyd, S. M. Barnett, and M. J. Padgett, Science 329, 662 (2010).
[CrossRef]

Zeilinger, A.

A. Mair, A. Vaziri, G. Weihs, and A. Zeilinger, Nature 412, 313 (2001).
[CrossRef]

Zhang, Y.

Y. Zhang, Z. Nie, H. Zheng, C. Li, J. Song, and M. Xiao, Phys. Rev. A 80, 013835 (2009).
[CrossRef]

Zhao, R.

A. G. Radnaev, Y. O. Dudin, R. Zhao, H. H. Jen, S. D. Jenkins, A. Kuzmich, and T. A. B. Kennedy, Nature Phys. 6, 894 (2010).
[CrossRef]

Zheng, H.

Y. Zhang, Z. Nie, H. Zheng, C. Li, J. Song, and M. Xiao, Phys. Rev. A 80, 013835 (2009).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett. (1)

R. W. Boyd and M. O. Scully, Appl. Phys. Lett. 77, 3559 (2000).
[CrossRef]

Astrophys. J. (1)

M. Harwit, Astrophys. J. 597, 1266 (2003).
[CrossRef]

Earth Moon Planet (1)

C. Barbieri, F. Tamburini, G. Anzolin, A. Bianchini, E. Mari, A. Sponselli, G. Umbriaco, M. Prasciolu, F. Romanato, and P. Villoresi, Earth Moon Planet 105, 283 (2009).
[CrossRef]

Nature (1)

A. Mair, A. Vaziri, G. Weihs, and A. Zeilinger, Nature 412, 313 (2001).
[CrossRef]

Nature Phys. (1)

A. G. Radnaev, Y. O. Dudin, R. Zhao, H. H. Jen, S. D. Jenkins, A. Kuzmich, and T. A. B. Kennedy, Nature Phys. 6, 894 (2010).
[CrossRef]

Opt. Express (2)

Opt. Lett. (2)

Phys. Rev. A (4)

K. Dholakia, N. B. Simpson, M. J. Padgett, and L. Allen, Phys. Rev. A 54, R3742 (1996).
[CrossRef]

J. Courtial, K. Dholakia, L. Allen, and M. J. Padgett, Phys. Rev. A 56, 4193 (1997).
[CrossRef]

Y. Zhang, Z. Nie, H. Zheng, C. Li, J. Song, and M. Xiao, Phys. Rev. A 80, 013835 (2009).
[CrossRef]

R. T. Willis, F. E. Becerra, L. A. Orozco, and S. L. Rolston, Phys. Rev. A 79, 033814 (2009).
[CrossRef]

Phys. Rev. Lett. (1)

S. Brustlein, L. Del Rio, A. Tonello, L. Delage, and F. Reynaud, Phys. Rev. Lett. 100, 153903 (2008).
[CrossRef]

Science (2)

V. Boyer, A. M. Marino, R. C. Pooser, and P. D. Lett, Science 321, 544 (2008).
[CrossRef]

J. Leach, B. Jack, J. Romero, A. K. Jha, A. M. Yao, S. Franke-Arnold, D. G. Ireland, R. W. Boyd, S. M. Barnett, and M. J. Padgett, Science 329, 662 (2010).
[CrossRef]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1.
Fig. 1.

(a) Energy level diagrams of the ladder-type configuration; (b) Schematic diagram of the experimental setup. The red dashed lines indicate the paths of the 1529.4 nm light, and the blue dashed line shows that of the 780 nm light. HG: computer-generated hologram, PBS: polarization beamsplitter, λ/2: half-wave plate, λ/4: quarter-wave plate. α=0.24°, β=0.37°.

Fig. 2.
Fig. 2.

(a) and (c) show the input multimodes on the signal beams. (b) and (d) show the recorded FWM up converted images. (e–h) correspond to the theoretical simulation results.

Fig. 3.
Fig. 3.

(a) Up-converted image with different input superposition of OAM modes. The first and the second lines show the experimental results, and the third and the fourth lines show the theoretical results; (b) Relative distance between the center point of the small black hole at the center of the intensity shape and the center point of the entire high intensity shape before and after the experiments. The horizontal axis represents the input signal, and the vertical axis represents the up-converted signal. The dots are the experimental data, and the line is the fitted result. Dots (c) to (g) correspond to the experimental cases of (c) to (g) in Fig. 3(a); (c) Up-converted images relative to the cell temperature. In the top line, the input signal is in the LG00 mode; in the bottom line, the input signal is the superposition of the LG00 mode and the LG01 mode.

Equations (1)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

zΩFi2k2ΩF=iNμ212kF2ε0(A(1)ΩF+A(2)Ωs2ΩF+A(3)Ωp12ΩF+A(4)Ωp1Ωp2Ωs*)

Metrics