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冷原子中相干产生和动态可控的光子带隙与静态光脉冲

张岩  
【摘要】:本论文主要研究了相干光场驱动的冷原子系统中光信息的存储和处理,具体包含三能级和四能级系统中的动力学演化过程、电磁诱导的光子带隙以及静态光脉冲的动态相干控制,共分为四个部分。 一、相干光驱动的三能级与四能级原子系统稳态和瞬态光特性的比较 在这部分我们比较了由两个强控制场驱动的四能级Tripod型冷原子系统和由一个强控制场驱动的三能级Lambda型冷原子系统的稳态和瞬态的光学响应特性。在研究中,我们考虑以下两种情况的Tripod型系统结构:在情况I中两个控制场均为行波;在情况II中两个控制场一个为行波、一个为驻波。其中,我们设两个控制场E_c和E_d的拉比频率分别为Ω_c和Ω_d,单光子失谐分别为Δ__c和Δ__d。在情况I中,我们对两个系统的电磁感应透明窗口附近的稳态的透射光谱、原子光学相干的瞬态演化过程进行了比较;在情况II中,我们对两个系统的电磁感应透明窗口附近的透射光谱、光子带隙结构附近的反射光谱进行了比较。通过数值结果分析可知,在Tripo_d型系统中,当满足Ω_c≈Ω_d和Δ_c=0的时候,只要失谐Δ__d大约是Ω_d的三倍左右,控制场E_d对共振频率附近区域内的稳态光学特性的影响非常小,进而我们就可以忽略E_d,从而不引入明显误差地将Tripo_d型系统简化为Lamb_da型系统。通过解析分析可得结论:只要满足Δ_pΔ_c 0、Δ_pΔ_dΔ_PΔ_cΩ_d~ 2 p c d /Ω_d~2Ω_c~2,就可以忽略控制场E_d。这就是将四能级结构简化为上三能级结构的必要条件。此简化方法是十分有用的,例如在处理由驻波驱动的原子系统时,固有的一种理论分析方法会涉及一系列的高阶自旋相干和光学相干的空间傅里叶展开项,其运算量很大。而通过使用此方法,就会大大减少工作量。并且在由一个行波和一个驻波同时驱动的Tripod型系统中,如果两个控制场的拉比频率大约相当而失谐却不同,通过利用这个条件,我们会在两个共振区域内分别获得一个高透射率的透明窗口和一个高反射率的反射带,也就是说建立了一套同时实现电磁感应透明窗口和相干诱导光子带隙的方案,这个结果可用在全光路由和动态可控光腔的相关研究当中。 二、密度不均匀冷原子介质中稳态和动态光特性 这部分我们研究了由一个强驻波控制场驱动的三能级Lambda型原子系统的透明窗口、光子带隙等稳态和动态光学响应特性。我们充分考虑了冷原子介质的原子密度不均匀分布的实际情况,而之前的研究都是理想地假设介质的原子密度是均匀分布的。我们分析了在由行波驱动的电磁感应透明效应原子系统和由驻波驱动的光子带隙原子系统这两种不同耦合机制下,原子体密度的变化对冷原子介质的稳态和动态光学响应特性的影响。通过数值结果分析发现,在保证介质样品含有相同数目的原子的前提下,原子分布体密度的变化对行波诱导的电磁感应透明窗口的影响不大,而对驻波诱导的光子带隙结构的反射和透射光谱以及信号光的动态传播过程有着重要影响。并且我们也成功地使用调节控制场拉比频率的方法在一定程度上消除了这种不利的影响。 我们的结论是十分有用的,尤其是在研究有关由一个或多个相干驻波驱动的原子密度不均匀的冷原子介质的光响应特性的问题的时候,就需要使用我们的结论对相关的理论工作进行修正,否则就可能会出现理论分析结果与实际实验结果偏差很大的情况。 三、双Lambda型原子系统中静态光脉冲的动态制备 在这部分我们研究了由两个相向传播的强行波控制场驱动的双Lambda型冷87Rb原子系统中的弱信号光的动态传播与演化过程,并使用这个系统制备了高效率、高保真的静态光脉冲。在之前的有关使用冷原子介质制备静态光脉冲的研究中,通常使用由强驻波控制场驱动的三能级Lambda型冷原子系统,在这种系统中存在众多的高阶的原子自旋相干和光学相干项,从而导致静态光脉冲要经历较大的能量衰减和空间扩散,而我们建立的系统结构就避免了这一缺陷。通过对这个双Lambda型原子系统的进一步分析,我们总结了要制备静态光脉冲时控制场拉比频率所需满足的必要条件:控制场拉比频率的平方要正比于相关能级跃迁的自发弛豫速率。通过对控制场的适当调节,我们还可以实现了对信号光的相位调制和光波形翻转。最重要的是,这种冷原子系统生成的静态光脉冲经历的时间衰减和空间扩散都非常小,保证了静态光脉冲的高效率以及高保真度,这有望被应用到新颖的全光控制的经典信息和量子信息的光子元器件的开发,例如光子中继器,反射器和交换器等等。 四、双通道静态光脉冲的相干生成与动态控制 在这部分我们提出了使用五能级双Tripod型冷87Rb原子系统模型制备双通道的静态光脉冲。这个系统模型包含了三对跃迁路径,其中一对跃迁路径被一对相向传播的强行波控制场耦合,当这个系统用于光信息处理过程时,这对跃迁路径可视作是一个控制端,而其它两对由弱信号光探测的跃迁路径则可作为两个信号通道。我们可在两个通道内将两个信号光存储在不同的原子自旋相干态波包中,然后再从中提取出两对静态光脉冲。并且两个通道的相互独立性很好,两个信号在整个控制过程中不会相互干扰,我们可以同时或者不同时地向两个通道里分别输入信号光,并且也可以将它们从样品的同一方向或者不同方向提取出来。通过调节自发弛豫速率和初始粒子的能级布局,我们还可以控制信号光在各自通道里的传播速度,进而实现分别地控制两个信号通道内的信号光。最后,我们比较了原子自旋激发态形式的光存储和静态光脉冲形式的光存储的优缺点:相比之下,在原子自旋激发态形式的光存储中信号光所经历的能量损耗比较小,所以能比较好的保持信号光所携带的信息,但在这种光存储方式中不存在光子分量;在静态光脉冲形式的光存储中是存在光子分量的,但是由于静态光脉冲经历一些与时间相关的能量衰减和在空间上扩散,所以这种光存储在保持信号光所携带信息方面不如前者。我们的研究为最终实现全光控制同步多任务信息处理过程提供了一些理论基础。


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