光脉冲在Λ-三能级系统中的存储与传输

论文摘要

量子光学对于量子态的建立和一些基础研究及大量的应用打开了一扇新的窗口。随着量子计算的研究和发展,必然涉及到光和物质相互作用的动力学问题。而一个基本问题就是要探索新的技术以实现对任意量子态的高保真存储和提取。近年来在这方面的理论和实验研究表明对于量子态的存储和提取主要依赖的理论依据之一是光子回波。我们从量子干涉角度来分析光子回波的量子信息存储和提取的动态过程,利用缀饰态理论对三能级体系的光子回波机理进行了详尽的分析,并分析了光脉冲在物质中的传输问题。论文主要分为三部分:第一部分对三能级体系进行了详细的量子力学描述;第二部分对三能级信息存储和提取的物理思想进行了分析;第三部分讨论了在缀饰态表象中三能级光子回波的动态过程,并分析了相干布居捕获条件下光脉冲在系统中的传输问题。第一部分三能级体系中的量子力学描述用缀饰态表象的波函数来表述系统的变化规律——给出了原子系统部分基本物理量的表述形式,如跃迁几率、密度矩阵元、布洛赫矢量等。从这些表述形式中,挖掘出了更深层的物理内涵。最后,介绍了一种常用的数值计算方法。第二部分分析三能级系统信息存储、提取的物理思想以二能级光子回波技术的物理思想为基础,利用布洛赫矢量法解析地分析、讨论了在三能级中实现信息存储、提取的物理过程。通过选择不同的脉冲强度和能级间的不同驰豫速率,将在能级之间产生不同的布居转移情况:①选取适当的脉冲强度,先使得基态|1〉和激发态|2〉实现最大相干,以期达到信息写入的最大化,再实现激发态|2〉和亚稳态|3〉之间的粒子数布居二次完全转移;②选取适当的脉冲强度,先使得基态|1〉和激发态|2〉实现粒子数布居完全转移,再实现激发态|2〉和亚稳态|3〉之间再次的布居完全转移,以及最大相干。第三部分三能级系统信息存储、提取的动态分析以及相干布居捕获条件下短激光脉冲在三能级系统中信息的存储和空间演化在这部分,利用第二章推导的缀饰态理论,和前面的表示方式详尽地分析了高斯脉冲作用下的三能级信息存储和提取过程,对光与物质相互作用过程给出了清晰的物理描述。利用布洛赫矢量方法讨论了光场与原子系统相互作用中的动态过程。通过光子回波技术对作用过程中信息的写入、读出给出了详细的解释。并且得出:光子回波可以看作是原子系统极化后的结果。随后,在相干布居捕获条件下,对于光脉冲在物质中的传播过程也给出了相应的物理描述。并在绝热跟随条件下得到了衰减波方程组的解析解。讨论了绝热条件的成立,振荡强度之比和脉宽之比的关系。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• §1.1 研究现状与进展
• §1.2 本论文的工作
• 第2章 三能级体系中的量子力学描述
• §2.1 三能级体系中的哈密顿量在不同表象下的表述
• §2.1.1 薛定谔表象和相互作用表象
• §2.1.2 旋转变换
• §2.1.3 缀饰态表象
• §2.2 缀饰态表象中的基本物理量的表述
• §2.2.1 几率振幅和密度矩阵元
• §2.2.2 布洛赫矢量
• §2.3 龙格-库塔（Runge-kutta）法
• §2.4 本章小结
• 第3章 Λ-三能级信息存储、提取的物理思想
• §3.1 引言
• §3.2 理论分析
• §3.2.1 物理模型与脉冲作用序列
• §3.2.2 π/2脉冲和最大相干态的制备
• §3.2.3 π脉冲和最大相干态的制备
• §3.3 结论
• 第4章 Λ-三能级系统信息存储、提取的动态分析
• §4.1 引言
• §4.2 π/2脉冲激光场共振入射的动力学分析
• §4.3 π脉冲激光场共振入射的动力学分析
• §4.4 小结
• 第5章 相干布居捕获条件下短激光脉冲的空间演化
• §5.1 引言
• §5.2 理论前提
• §5.2.1 激发方式
• §5.2.2 绝热条件
• §5.2.3 基本方程
• §5.3 绝热近似下的拉曼相干和能级布居的时间动力学（光学薄介质中）
• §5.3.1 绝热近似下薛定諤方程的解
• §5.3.2 绝热近似下的拉曼相干
• §5.3.3 矢量模型
• §5.4 脉冲的空间演化（光密介质中）
• 1≠K₂）'>§5.4.1 振荡强度不相等的情况（K₁≠K₂）
• 1=K₂=K）'>§5.4.2 振荡强度相等的情况（K₁=K₂=K）
• §5.4.3 绝热条件
• §5.4.4 结论的讨论
• §5.5 总结
• 第6章 全文总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的研究成果