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相干驻波场驱动下介质的光谱特征与相干光学烧孔实现光速减慢

何琼毅  
【摘要】: 众所周知原子相干和量子干涉效应是量子光学和激光物理学的重要前沿课题,它们可导致许多有趣新奇的物理现象产生。相干粒子数捕获(CPT: Coherent PopulationTrapping)、无反转激光(LWI: Lasing Without Inversion)、电磁感应光透明(EIT: Elec-tromagnetically Induced Transparency)、光群速度减慢、光量子信息的存储与处理等,均是以原子相干效应为基础的。另一方面,光学烧孔现象由于在光谱分析和光学存储方面的重要作用也日益受到关注。目前,针对各种新的材料和介质,人们还在不断深入研究与光学烧孔有关的各种现象。本文就是在原子相干的基础上,结合电磁感应光透明、驻波场、光子晶体理论、光学烧孔技术等,分别讨论并分析强相干场、驻波场、双色饱和场控制下非均匀展宽三能级Λ模型固体、原子系统中的探测场吸收、传输、反射以及折射光谱特征。 本论文共分五个部分,具体内容如下: 第一部分:介绍几种重要的原子相干现象,以及电磁感应光透明现象、光子晶体理论、相干光学烧孔现象研究的历史和现状。 第二部分:介绍描述量子系统的三种基本图像,处理光与物质相互作用问题的半经典理论,分析原子相干现象常用的缀饰态理论,以及计算荧光谱和吸收谱的拉普拉斯变换方法。第三部分:研究如何利用电磁感应光透明和驻波场理论,实现可控一维光子晶体结构及带隙光信号的高反射率。首先介绍一维光子晶体的光学性质,接着在三能级Λ模型固体系统中,由于下面的两个能级距离很近,两个下能级向上能级跃迁频率非常接近,我们将其中两个能级用一强相干场耦合,并使相干光原路反射回来,形成相干驻波场。这样不仅能产生EIT现象,还会对共振吸收介质的介电常数形成一维周期性调制,实现类似于一维光子晶体的结构。当探测光通过这种周期结构的介质时,在某些特定频率范围内就会形成光子带隙,频率处在带隙内的信号光将不能通过介质,被反射回来,出现高反射率现象。调节相干场的强度、反射率、形成驻波场的两波的角度、以及探测光的入射角度,可以控制光子禁带的结构和位置,对不同频率范围内的光实现高反射。这样就在非均匀展宽固体介质中利用外加电场方便的实现了具有可调光子带隙的一维光子晶体结构。最后以NV色心钻石单晶为例,深入研究了一维周期格子结构中基础单元组成、样品长度、吸收线型以及非均匀展宽宽度对光子带隙结构、带隙反射和吸收光谱的影响。带隙边界陡峭的色散曲线意味着此处会有光速变化,为今后利用光子晶体控制光速的研究提供了研究依据。 第四部分:基于原子相干效应的新型“双色光学烧孔”研究。作为相干光学烧孔理论研究的延续,以铷原子D1线的三个超精细能级构成的三能级系统为例,我们用一强相干场把烧孔原子上能级与第三个能级耦合起来,使其形成Autler-Towner劈裂。然后利用一双色场激发基态能级上的粒子数至饱和状态。由相干光学烧孔理论可知,此时,激发光通过非均匀加宽介质时,可以激发四类原子,产生对应多个不同频率位置的光学烧孔。双色场两频率差减小,烧孔会因位置接近而发生简并,并且由于双色场两束激光之间的强干涉性导致饱和效应增强,简并后的烧孔会更深更窄,相应的折射率曲线更陡峭。烧孔的位置和深度可以通过调节驱动场强度和双色场频率差进行控制。这一特征不仅使得双色相干光学烧孔技术在高密度高精度光学存储方面具有广阔的应用前景,而且为同时实现多频率光速减慢提供了新的思路。另外,改变双色场两频率的相位可以使相干光学烧孔从有到无发生变化,这对于光信息的写入和读取有潜在的应用价值。我们给出了裸原子表象下的数值模拟和缀饰态表象下的定性分析。 第五部分:利用相干光学烧孔实现光速减慢的研究。光是目前信息传输的主要载体,控制光在介质中的传播速度,对不同情况下信息的上载、下载及信息转换和处理都有重要意义。目前大部分的研究工作是利用电磁感应光透明技术和烧孔技术实现光速减慢,在原子蒸汽、稀土掺杂固体材料中已取得很好的成果。我们这里结合两种技术,利用深而窄的相干光学烧孔来实现光速减慢。当探测场与相干场反向传播,与饱和场同向传播时,不但能实现比普通的烧孔技术更好的光速减慢,而且当饱和激发是由双色场完成时,调节双色场的频率差,可以得到一个类似EIT的很深的凹陷,相应凹陷两边界处的折射率曲线十分陡峭,这样就会在两个不同频率同时实现大的光速减慢,其效果优于具有同样透明窗口的EIT。调节两驱动场的失谐,由于更多的原子被激发至饱和,吸收谱上的凹陷更深,甚至出现增益,可以得到更慢的被放大的光信号。 本论文第三部分的研究成果在实现高效反射,自发辐射的调制,量子信息存储及传输等方便具有重要的应用价值;第四部分在高密度高精度光学存储及信息读取中有广阔应用前景;第五部分提供了一种全新的实现无损耗光慢速传播的方法。


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