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《陕西师范大学》 2018年
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自发辐射相干诱导多能级原子系统光学双稳特性研究

李会景  
【摘要】:激光问世之后,非线性光学作为一个新的学科发展方向得到了研究者的青睐,并且和量子光学以及激光物理学一起被广泛而深入的研究。激光与物质间的相互作用产生了一系列有趣的量子相干效应,如电磁感应透明(Electromagnetic Induction Transparency)、相干布居捕获(CoherentPopulation Trapping)、粒子数无反转激光(Lasing Without Inversion)等。这些量子相干效应又促进了非线性光学的发展,如量子相干诱导巨克尔非线性、光学孤子、光学双稳(OpticalBistability)等等。其中光学双稳在光存储、全光开关、电光转换、光学晶体管、逻辑电路等方面存在着潜在的应用价值,因此,很多研究者在理论和实验上对其展开了大量的研究工作。我们知道实验上去构建量子相干,能够对一些非线性过程进行有效的调制,产生我们所感兴趣的现象。自发辐射诱导相干(Spontaneous Generated Coherence)作为一种特殊的产生量子相干的方法—通过非相干自发辐射过程产生的量子相干—引起了大量研究者的研究兴趣。它是指不同的自发发射通道间的相互干涉所引起的相干,为控制原子介质中的光学响应提供了建设性的方法,因此大量的基于SGC的重要效应已经在原子系统中被研究。本论文基于自发辐射诱导相干效应,在三脚架型四能级原子系统中,主要研究了光学双稳以及光学多稳效应。本论文主要包括以下四部分:第一部分,主要介绍了光学双稳的研究背景及其现状,然后又具体的描述了光学双稳的概念、产生原理、相关器件及分类以及光学双稳的半经典理论。第二部分,介绍了非线性光学中光与物质介质相互作用的相关基础理论知识,主要包括量子力学中三种基本的物理绘景-薛定谔绘景、海森堡绘景以及相互作用绘景、光与介质间的相互作用在偶极近似下以及旋波近似下的哈密顿量、光与物质相互作用在半经典理论下的两种研究方法-几率幅方法和密度矩阵方法、光的传播理论。第三部分,首先简要阐述了自发辐射诱导相干的基本概念及其产生原理,以V型三能级原子为例,得出了自发辐射诱导相干存在时所满足的条件,并且推导出了 V型、A型以及梯形三能级原子存在自发辐射诱导相干时的密度矩阵方程。基于此,我们研究了三脚架型四能级原子系统存在多重自发辐射诱导相干时的光学双稳以及光学多稳的特性。研究表明,光学双稳对自发辐射诱导相干效应非常敏感,通过调节自发辐射相干的强度,可以控制光学双稳的阈值大小。我们还对比了单个、双重以及三重自发辐射诱导相干对光学双稳的影响,结果表明,多个发辐射诱导相干的参与对光学双稳的阈值产生了抑制或者增强的作用。此外,在该原子系统中,我们还研究了多重相对相位对光学双稳以及光学多稳的影响。由于光场和原子能级之间形成了一个封闭的环形结构,通过调节各驱动场之间的相对相位就可以对系统的相干性进行有效的调控,因此调节相对相位,能够对光学双稳的阈值大小进行调节。进一步研究发现,调节相对相位还可实现光学多稳,并且选取恰当参数还可实现光学双稳与光学多稳之间的相互转换。第四部分,对本论文的主要内容进行了总结,并展望了光学双稳现象在未来科学以及实践生活中的应用前景。
【学位授予单位】:陕西师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:O431.2;TN24

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