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量子相干系综中吸收及折射率性质的研究

徐卫华  
【摘要】:本论文主要研究各种存在量子干涉效应的系统中弱探测场的吸收以 及折射率特性。所考察的系统包括原子系统以及半导体量子阱结构,内 容涉及瞬态过程以及稳态过程,涉及了与量子相干有关的电磁感应光透 明、无吸收高折射率以及无反转光放大等现象的研究,共分为六个部分。 第一部分: 真空及微波感应相干效应对原子系统瞬态过程吸收特性的影 响 在第一部分,我们分别研究存在真空感应相干(VIC)的三能级Λ型 及 V 型原子和存在微波感应相干的三能级Λ型原子中的探测场的瞬态吸 收特性。我们发现,真空感应以及微波感应相干效应对探测场瞬态吸收 特性都有很大的影响。这些干涉效应的存在使探测场瞬态吸收行为变得 对相干场的相对位相Φ非常敏感,不同的Φ对应不同的瞬态行为特征, 恰当选择相对位相的范围,可以使瞬态吸收得以完全的消除。 所考察的三能级Λ型原子系统如图 1 所示,其一对基态能级挨得很 近,当两个跃迁对应的偶极矩的方向非正交时,由上能级到这一对基态 能级的自发辐射通道之间发生交叉耦合,产生一种量子干涉效应,叫真 空场感应相干效应。在该系统中,用一强相干光场作为耦合场,用一弱 相干光场作为探测场,恰当安排这两个相干光场的偏振方向与两个跃迁 178 WP=186 所对应的偶极矩方向之间的关系,使εrc ⊥ dr13,εrp ⊥ dr23,以保证每个场 只作用在各自的跃迁上。 图 1 存在 VIC 的三能级Λ型原子系统。 在半经典的理论框架下,写出系统的密度矩阵方程,注意正确地加 进真空感应相干项。真空感应相干项的存在使得原子系统对两个相干场 的位相变得非常敏感,把两个相干场的位相考虑进去之后,经过标准变 换后得到一组跟两场的相对位相Φ 密切相关的方程。从这组方程可求解 得到探测场的增益-吸收系数的依赖于时间的瞬态数值解。 通过考察吸收系数随时间演化的情况(图 2 所示),我们发现,当不 存在真空感应相干效应时(图中η = 0 对应的曲线),也就是说在一个传 统的三能级Λ系统中,在达到稳态之前探测场表现出吸收和增益交替出 现的随时间振荡的行为;而当存在真空感应相干效应时(图中η =1对应 的曲线),探测场却表现出很不同的、跟相干场相对位相Φ密切相关的瞬 态吸收特性,对于不同的Φ,其瞬态行为有很大的不同。当Φ = 0时,瞬 179 WP=187 态增益完全消失,只有瞬态吸收在零吸收线以下振荡,最后达到稳态值 零;当Φ =π 时,瞬态吸收完全消失,只有瞬态增益在零吸收线以上振荡, 最后也达到稳态值零。在这两种情形下,探测光场不再表现出吸收和增 益交替出现的性质,而且,跟不存在真空感应相干效应的情况相比,其 振幅也增强了很多,振荡频率减小了,原子系统过渡到稳态所需要的响 应时间也延长了。从中我们看到的最有意义的一点是,由于真空感应相 干效应的存在,我们可以通过恰当地选择相对位相Φ 使瞬态吸收完全消 除,这在传统的三能级Λ原子系统中是无法实现的。我们考察了瞬态吸 收的消除对相对位相的要求,发现实际上能够使瞬态吸收完全消除的相 对位相的范围是很广的,只要满足2kπ +π /2 p Φ p 2kπ +3π /2,都可以 使瞬态吸收完全消除。 0.08 Im(ρ31), Φ=π , η=1 0.04 ) 200Im(ρ31), η=0 ρ 31 Im( 0.00 -0.04 Im(ρ31), Φ=0, η=1 -0.08 0 1 2 3 4 5 τγ31 图 2 探测场的增益-吸收系数随时间的演化 ?c = ?p = 0,Λ = 0,γ32 = 2γ31,θ =π /4,Gc =8γ31 sinθ ,Gp = 0.01γ31 sinθ 180 WP=188 我们还考察了真空感应相干效应对 V 型原子系统瞬态吸收特性的影 响,发现存在真空感应相干效应的 V 型原子中探测场的瞬态吸收行为跟 在Λ型系统中的情形非常类似,但略有不同:在Λ型系统中瞬态吸收在 合适的位相下是可以完全消除的;而在 V 型系统中,在合适的位相下, 在开始的极短的瞬间还会出现瞬态吸收,之后,瞬态吸收迅速消失,只 剩下瞬态增益的振荡。因此我们说在 V 型系统中,通过恰当选择相对位 相的值可以使瞬态吸收几乎完全消除。 对于三能级Λ型原子系统,当两个基态能级之间用一微波场进行耦合 时,由于微波场感应而产生的原子相干效应也可以引起探测场吸收特性 对相干场位相的依赖,这种相位依赖特性与真空场感应相干所引起的相 位依赖特性非常类似,只是存在着一个π /2的位相差。例如,微波耦合 系统中Φ =π /2时的瞬态行为类似于真空感应相干系统中Φ =π 的情况; 微波耦合系统中,为了消除瞬态吸收,我们需要将相对位相Φ调至区域 2kπ p Φ p (2k +1)π ,而在真空感应相干系统中应将其调至区域 2kπ +π / 2 p Φ p (2k +1)π + 3π / 2 。微波感应相干的存在条件比较宽松, 对能级间隔没有严格的要求,也不要求两个跃迁的偶极矩阵元非


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