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冷原子介质中的时间与空间光孤子

谢小涛  
【摘要】: 冷原子介质中光学非线性现象现在已引起了物理学家们的广泛关注。对于冷原子介质中的时间与空间光孤子(如超慢光孤子、超慢双稳态光孤子、涡旋光孤子、矢量光孤子等)的研究是非常有意义的。它旨在研究冷原子介质与光的相互作用系统由于电磁诱导出的各种新的非线性现象,尤其是光速只有真空光速万分之一甚至更低的光波无变形传播的相关现象。这类现象不仅有助于理解和掌握相干非线性光学的新特性,而且对光信息(包括量子信息)的存储,提取,传播、全光计算机、光学开关器件、光通讯、高效路由器、高精度非线性光谱学和量子纠缠等也大有裨益。据我们所知,目前为止此类研究甚少,其属于理论物理学及其交叉科学前沿问题。 本论文研究了不同能级结构的冷原子气体中的的时间光孤子(超慢光孤子与双稳态光孤子)与空间光孤子(光孤子、双稳态光孤子以及涡旋光孤子)的相关特性。主要内容如下: 1)首先,我们给出了冷原子介质中时间与空间光孤子研究的相关背景知识,其中包括时间与空间光孤子发展历程的简单回顾、各类时间与空间光孤子满足的波动方程及其解的基本性质的介绍和电磁感应透明效应的物理机制及其相关理论的简介。本论文的前三章即为相关背景知识介绍。 2)紧接着,我们讨论了由存在衰减的Λ-位型三能级冷原子与强控制场和探测场组成的相互作用系统中的超慢时间光孤子与双稳态时间光孤子,即本文的第四章。我们论证了由于非线性效应与脉冲群速色散的精确平衡上述冷原子介质中能存在超慢时间光孤子与双稳态时间光孤子。通过参量控制,如选择适当的控制场强度和单光子失谐量,不同类型的时间光孤子很容易被实现。另外,我们对双稳态时间光孤子解进行了稳定性分析,发现在上下支的双稳态时间光孤子均可稳定的存在于我们所考察的系统。 3)最后,我们分别研究了由存在衰减的Λ-位型和阶梯型三能级冷原子系统中的空间光孤子、双稳态空间光孤子与涡旋空间光孤子。我们发现由于非线性效应与光束衍射的精确平衡上述三能级冷原子介质中能存在各类空间光孤子。通过选择适当的控制场强度和单光子失谐量,我们也能很容易的实现不同类型的空间光孤子。同时,我们考察了相应的双稳态空间光孤子和涡旋空间光孤子解的稳定性。通过分析,我们发现在我们所考察的系统中上下支的双稳态空间光孤子解以及涡旋空间孤子解均是稳定的。 分析过程中我们所采用的参数均为实验参数,因此我们相信不同位型冷原子介质中的各类时间与空间光孤子能被实验所观测和证实。冷原子介质中各类时间与空间光孤子的相关研究将为光孤子的实验实现及其相关性质的研究提供更多选择。


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