多能级原子系统中量子相干增强的弱光非线性

论文摘要

光与原子相互作用中量子相干导致的电磁感应透明（EIT）效应是量子光学中的一个重要研究内容。由于EIT介质具有透射高、色散强、非线性效应大等特性,在光减速、光量子存储、共振非线性增强、非经典光的产生、光与原子纠缠等方面具有重要的应用,所以EIT效应受到了人们的关注并且被广泛深入地研究。本文介绍了EIT效应的基本概念,回顾了EIT研究的发展历史。主要介绍了我们基于EIT进行的研究工作,包括光减速、光存储、光致旋光效应以及多能级原子中的非线性效应。1)研究了EIT介质中的光减速和光存储。在充缓冲气体的铷泡中,使用线宽压窄的激光器,将光脉冲群速度减慢到8000m/s。在光减速的基础上,通过EIT动力学过程,进行了光脉冲的存储与释放,存储时间达到了100μs。在双人型四能级系统中,使用780nm或795nm“读”控制光读出存储在原子中的光脉冲,并用光栅将读出的795nm和780nm信号在空间上分离,实现了存储信息在空间两个不同通道上的可控释放。2)在多能级EIT系统中观察到了线偏振探针光的偏振面旋转。采用右旋圆偏振耦合光与原子作用,产生了对左旋和右旋探针光分量非对称的EIT系统,这种非对称的EIT系统对左旋与右旋探针光分量的折射率不相同,由此导致了光致旋光效应。在实验上观察到了15mW的耦合光就可导致探针光偏振面旋转达45°。提出一种测量偏振面旋转的新方法,消除了吸收对转角测量的影响,大大提高了测量精度。3)采用左旋圆偏振探针光、左旋圆偏振耦合光和右旋圆偏振触发光与87Rb原子的D1线作用,构建了四能级Tripod结构。在该系统中观察到了分别由耦合光和触发光在探针光吸收谱上导致的两个EIT窗口（Two EIT）,研究了由这两个EIT窗口相互作用引起的EIT信号增强现象。实验结果表明,当触发光与耦合光的失谐不同时,在探针光的吸收光谱上观察到了两个EIT窗口,一个由强的耦合光形成,一个由弱的触发光形成。当触发光的失谐与耦合光的失谐接近或相等时,耦合光形成的EIT信号会明显增大。使用半经典理论对EIT信号增强现象进行了数值计算,结果与实验很好的相符。4)在四能级Tripod系统中,研究了基于双EIT（double EIT）窗口的弱光交叉Kerr非线性效应。我们在实验上观察到了耦合光在探针光和触发光的吸收谱上同时导致的EIT窗口（Double EIT）,并利用Mach-Zehnder干涉仪对探针光与触发光之间相互作用导致的交叉Kerr非线性相移进行了测量。实验结果显示,当探针光和触发光的透射都超过60%时,触发光的交叉Kerr非线性系数可达到2×10-5cm2/W。其中创新性的工作包括:Ⅰ.在双人型四能级系统中,采用795nm或780nm的读控制光,使存储在EIT介质中的信号以两个不同波长的光脉冲释放出来。用光栅将这两个不同波长的释放光脉冲在空间上分离,实现了存储信息在空间两通道上的可控释放。Ⅱ.在非对称EIT系统中观察到了光致旋光效应。该系统中,探针光的两个圆偏振分量都与耦合光形成EIT,所以探针光的圆二向色性较小。在实验中,15mW的耦合光就可使探针光偏振面旋转角达到45°。我们进一步对探针光偏振旋转做了理论分析和数值计算,结果表明主要是探针光左旋和右旋分量EIT数目的不对称导致了旋光效应。Ⅲ.通过选择合适圆偏振的探针光、耦合光和触发光与原子的Zeeman子能级作用,在87Rb的D1线构建了四能级Tripod系统。在该系统中观察到了分别由耦合光和触发光在探针光的吸收谱上导致的两个EIT窗口以及两个EIT窗口相互作用产生的EIT信号增强现象。Ⅳ.在Tripod系统中,观察到了耦合光在探针光和触发光的吸收谱上同时导致的EIT窗口。利用Mach-Zehnder干涉仪对探针光和触发光之间的交叉Kerr非线性相移进行了测量。在弱光情况下观察到了显著的非线性相移,交叉Kerr非线性系数可达到2×10-5cm2/W。所采用的Mach-Zehnder干涉仪由两个偏振位移器构成,信号光和参考光之间的光程差对镜子的振动不敏感,使交叉Kerr非线性相移能够被精确地测量。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 EIT效应简介
• 1.2 EIT效应的应用
• 1.2.1 光减速
• 1.2.2 光量子存储
• 1.2.3 量子态在光子和原子系综之间的传递
• 1.2.4 EIT介质中增强的非线性效应
• 第二章 EIT效应的吸收和色散特性
• 2.1 二能级原子对单模光场的吸收色散特性
• 2.2 Λ型三能级EIT系统的吸收色散特性
• 2.3 光学泵浦对EIT吸收曲线的影响
• 2.4 小结
• 第三章 光减速与光存储
• 3.1 利用EIT进行光减速与光存储的理论模型
• 3.1.1 光减速理论模型
• 3.1.2 光存储理论模型
• 3.2 EIT介质中光减速的实验研究
• 3.2.1 进行光减速的Λ型三能级EIT系统
• 3.2.2 Λ型三能级系统中EIT窗口的实验观察
• 3.2.3 光减速的实验观察
• 3.3 利用EIT效应进行光存储的实验研究
• 3.3.1 进行存储及双通道释放的双Λ型四能级结构
• 3.3.2 光存储及双通道释放的实验装置
• 3.3.3 实验结果
• 3.4 小结
• 第四章 非对称EIT系统中的光致旋光效应
• 4.1 EIT系统中光致旋光效应的理论模型
• 4.2 光致旋光效应的实验研究
• 4.2.1 实验装置与测量方法
• 4.2.2 实验结果
• 4.2.3 光致旋光效应机制的分析与讨论
• 4.3 小结
• 第五章 Tripod结构中Two EIT窗口及相互作用
• 5.1 光与Tripod型原子作用的理论模型
• 5.2 Tripod系统中的Two EIT窗口及EIT信号增强的实验观察
• 5.3 分析与讨论
• 5.3.1 能级结构简化的理论依据
• 5.3.2 实验方案的改进
• 5.4 小结
• 第六章 Tripod系统中基于Double EIT交叉Kerr非线性效应的研究
• 6.1 Tripod系统中交叉Kerr非线性效应的理论模型
• 6.2 用于测量原子介质中折射率的Mach-Zehnder干涉仪
• 6.3 实验装置
• 6.4 Double EIT窗口和交叉相位调制系数的实验结果
• 6.5 小结
• 全文总结与展望
• 参考文献
• 博士研究生期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简况