驻波场感应原子相干效应的研究

论文摘要

原子相干效应是用相干的电磁场将原子的两个能级耦合起来,使原来的能级发生Autler-Townes劈裂。因此,原子对光的吸收或自发辐射过程经历多个通道,多个跃迁通道之间的量子干涉使光在吸收、色散、自发辐射以及非线性等方面都呈现出崭新的物理现象。原子相干对介质光学性质的有效剪裁和调控在精密光谱、非线性光学、量子光学、量子信息和量子调控等诸多领域有重要应用。一般的,原子相干效应采用行波耦合场,当相干光场具有空间强度依赖的驻波形式时,原子对探测场的吸收、色散等性质随之空间周期调制,于是显示出于行波场驱动情况截然不同的光学特性,也将产生独特的现象。本文主要基于驻波驱动的原子相干效应,分别研究电磁感应双光子带隙、电磁感应光栅和二维原子局域。1.研究了三个驻波驱动双暗共振系统的光学响应,驻波强度的变化使得探测场的吸收和折射率空间调制,介质对于探测场就像一维周期排布的光子晶体,当满足Bragg条件时,在两个透明窗口内将分别产生光子带隙。在微波场驱动的双暗共振系统中得到了可调谐双光子带隙,带隙内的反射率可达95%,并且带隙边缘存在两个高透区,能够同时调控两个不同频率光脉冲的流动方向。在N型双暗共振系统中,我们研究了暗共振之间的相互作用对双光子带隙宽度和位置的影响,通过改变光场的强度和失谐可以方便地对带隙结构进行调节。在相干驱动Fe=0（?）fg=1跃迁中,耦合场同时作用于两个跃迁,没有外加磁场时简并为Λ型单暗共振系统；在外加磁场时则变为Tripod型双暗共振系统。在驻波驱动下,通过磁场的关断与开启能够实现单光子带隙和双光子带隙的转换,可以同时控制两个不同中心频率光脉冲的透过（反射）或吸收,用于双通道磁光开关；通过改变磁场大小能够实现双光子带隙位置的调节,可以同时控制两个不同中心频率光脉冲透过或反射,用于双通道磁光路由。和单光子带隙相比,双光子带隙能够同时控制两个不同中心频率光脉冲,在以光子和原子为基础的量子调控方面更具有优越性。我们希望这种相干诱导的双光子带隙能够产生两个静态光脉冲,并有效地增强非线性作用,用于光存储和量子逻辑。2.研究了梯型四能级系统中的电磁感应光栅现象。结果表明,两邻近中间能级向基态的自发辐射通道之间的量子干涉效应,能够增强控制场和探测场之间的非线性相互作用。当控制场共振时,相长量子干涉导致双光子吸收增强,然而探测场的线性吸收由于相消量子干涉被抑制。当控制场失谐较大时,在非线性吸收可以忽略的情况下探测场能够获得较大的交叉位相调制。于是,当控制场为具有空间强度周期变化的驻波场时,垂直传播的探测场将在横向受到吸收和折射率的空间调制,对于控制场共振和远离共振两种情况,可以分别得到吸收型光栅和位相型光栅。其中,位相光栅的衍射效率可达31%,大大超过线性调制的混合型光栅。这种电磁感应光栅将光能量衍射到空间不同方向,可用于全光开关和全光路由。3.运动原子位置的精密测量是激光物理和量子光学的前沿问题之一。光学手段和技术可以提供较高的精度和空间分辨率。利用驻波场强度的空间调制,导致原子的自发辐射、吸收等特性依赖于原子在驻波平面的空间位置,于是通过探测自发辐射光子频率、探测场的吸收能够获得原子的位置信息,实现原子局域。这种方法可以对仍处于光场中的原子的进行位置测量,而不需要等到原子完全通过光场。在本文中,我们利用正交驻波光场与原子的相互作用,提出了三个二维原子局域方案。通常情况下,在波长范围内,原子和驻波场的相互作用在驻波平面的四个象限是相同的,因此当探测到特定频率的自发辐射光子或探测场吸收时,原子位置的条件几率分布在四个象限也相同,在特定位置能够找到原子的最大几率为1/4,此时原子位于两个驻波场波腹的交点处,即（k1x,k2y）=（±π/2,±π/2）。然而利用系统自身的特点和量子干涉,通过调节原子初始状态或者驻波场的耦合方式,原子位置的条件几率分布在四个象限不再相同,可以使在某些区域探测到原子的几率增大。特别的,在亚波长范围内特定位置探测到原子的最大几率由1/4提高到1/2,此时原子位于Ⅰ、Ⅲ或Ⅱ、Ⅳ象限的中心位置。此外,量子干涉效应提高了原子局域化的精度和空间分辨率,这在原子位置的精密测量、原子光刻等方面具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 电磁感应透明
• 1.1.1 电磁感应透明基本原理
• 1.1.2 电磁感应透明的研究历史与现状
• 1.2 自发辐射相干
• 1.2.1 自发辐射相干基本原理
• 1.2.2 自发辐射相干的研究历史与现状
• 1.3 驻波场诱导的原子相干效应
• 1.3.1 电磁感应光子带隙
• 1.3.2 电磁感应光栅
• 1.3.3 运动原子局域化
• 第2章 相关的理论工具
• 2.1 光与物质相互作用的半经典理论
• 2.1.1 相互作用哈密顿和偶极近似
• 2.1.2 几率振幅法和旋转波近似
• 2.1.3 密度矩阵方法
• 2.1.4 缀饰态理论
• 2.2 光与物质相互作用的全量子理论
• 2.2.1 原子与光场的相互作用哈密顿
• 2.2.2 自发辐射的Weisskopf-Weigner理论
• 2.3 计算一维光子晶体带隙结构的传输矩阵法
• 2.3.1 单周期介质中光场的传输矩阵
• 2.3.2 多周期介质中光场的传输矩阵
• 第3章 基于驻波场驱动双暗共振系统的电磁感应双光子带隙
• 3.1 引言
• 3.2 微波诱导双暗共振系统中的电磁感应双光子带隙
• 3.2.1 理论模型
• 3.2.2 双光子带隙
• 3.2.3 光脉冲传播的相干控制
• 3.3 光场诱导双暗共振系统中的电磁感应双光子带隙
• 3.3.1 理论模型
• 3.3.2 双光子带隙
• 3.3.3 光脉冲传播的相干控制
• e=0（?）F_g=1系统中的电磁感应双光子带隙'>3.4 相干驱动F_e=0（?）F_g=1系统中的电磁感应双光子带隙
• 3.4.1 理论模型
• 3.4.2 双光子带隙
• 3.4.3 磁光开关
• 3.4.4 磁光路由
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于自发辐射相干增强非线性调制的电磁感应光栅
• 4.1 引言
• 4.2 自发辐射相干增强Kerr非线性
• 4.3 电磁感应光栅
• 4.3.1 吸收光栅
• 4.3.2 位相光栅
• 4.4 本章小结
• 第5章 运动原子的二维局域化
• 5.1 引言
• 5.2 倒Y型系统中的二维原子局域
• 5.2.1 模型与方程
• 5.2.1.1 频率测量方案
• 5.2.1.2 粒子数和吸收测量方案
• 5.2.2 结果与分析
• 5.3 Tripod型系统中的二维原子局域
• 5.3.1 模型与方程
• 5.3.2 结果与分析
• =|0>的情况'>5.3.2.1 原子初态为|Ψ（0）>=|0>的情况
• 5.3.2.2 原子初态为两个基态叠加的情况
• 5.4 N型系统中的二维原子局域
• 5.4.1 模型与方程
• 5.4.2 结果与分析
• 5.4.2.1 两驻波场耦合不同原子跃迁的情况
• 5.4.2.2 两驻波场耦合同一原子跃迁的情况
• 5.5 本章小结
• 论文总结
• 参考文献
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果
• 致谢