超冷原子电磁感应透明介质中的光孤子

论文摘要

进入信息化时代以来,随着信息量的日益增加,人们对信息处理的要求愈来愈高。而传统的信息处理方法已渐渐接近物理的极限。寻求新的信息处理方式成为现今研究的必然趋势。光孤子通信由于具有信息容量大,抗干扰能力强等优势,被认为是新的信息处理方式的首选。然而,目前大部分光孤子的产生是基于传统光学介质而形成的。在传统光学中,产生显著的非线性光学效应的介质却伴随着介质对光的强共振吸收损耗;而弱吸收的介质却只能激发微弱的非线性光学效应。因而,通常需要强激光光源才能形成稳定的光孤子。而强激光光源所导致的热效应却不利于信息处理器件将来的微型化和高度集成化。近年来,基于量子相干的电磁感应透明(Electromagnetically Induced Transparency,简称EIT)效应既能得到显著非线性光学效应,又能消除强的介质共振吸收,从而解决了介质强非线性响应和弱吸收损耗之间不能并存的矛盾,因而成为了非线性光学研究领域的热点问题之一。与此同时,利用EIT介质中的强非线性效应来平衡介质的色散(衍射)效应从而形成光孤子也成为了一个有趣的课题之一。近来的研究中发现,EIT介质中存在一种新型光孤子,其只需极弱的光源就能激发形成,且传播速度比真空中光速低数个数量级。这些成果为研究EIT介质中非线性光学性质开辟了新的方向。这些研究考虑的是单一信号光在一维EIT介质中的传播情况。然而,实际中的大多数情况是多束信号光同时传播,或者是信号光在高维EIT介质中传播等。因此,本文基于半经典理论,利用多重尺度方法结合数值模拟研究了超冷原子组成的EIT介质中光孤子的动力学性质,得到了一系列有意义的结果。全文结构如下:第1章,首先对光孤子概念及其分类做了简单介绍。随后,阐述了EIT的基本原理及与本论文相关的一些研究进展,如光速变慢、Kerr非线性效应增强等。最后,对本论文的主要研究内容,方法和意义进行了简要介绍。考虑到目前对于EIT介质中光孤子的研究主要集中在对一维光孤子的研究,而事实上,光是在高维光学介质中传播。因此,在第2章中,研究了Λ型三能级超冷原子系统二维空间光孤子的动力学行为,发现其中的光孤子并不稳定,会随着时间演化成为暗光孤子环。实际中,大多数情况是多束信号光同时存在于同一个介质体系中。基于此,在第3章中,研究了两束信号光在双Λ型四能级超冷原子系统中的非线性传播性质。结果表明,由于它们之间的耦合效应,只需极弱的光源就能激发它们分别形成能稳定传播的双组分空间光孤子。随后,通过数值模拟,发现光孤子之间碰撞究竟是弹性还是非弹性,以及碰撞时能量的转移方向均由它们之间的初始相位差所决定。由于光场是矢量场,在第4章中,我们首先构建了V型五能级超冷原子的EIT介质模型。随后,研究了其中的两个超慢时间矢量光孤子的形成及其之间的相互碰撞特性。结果表明,超慢时间矢量光孤子能在系统中稳定传播,且他们之间的碰撞特征与他们之间的初始相位差以及入射角度有关。最后,我们对本文的研究工作进行了简要的总结。同时,对EIT这一前沿的研究领域的后续工作进行了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 光孤子简介
• 1.2 EIT 介质中光孤子的研究现状
• 1.3 本文主要研究方法—多重尺度方法
• 1.4 本文的主要研究内容及意义
• 第2章 二维Λ型三能级EIT 介质中的弱光空间暗孤子环
• 2.1 引言
• 2.2 非线性包络方程及其空间光孤子解析解
• 2.3 空间光孤子的演化特征
• 2.4 本章小结
• 第3章 双Λ型四能级超冷原子EIT 系统中双组分空间光孤子间的性质
• 3.1 引言
• 3.2 超冷原子EIT 介质模型
• 3.3 耦合非线性薛定谔方程及其光孤子对解析解
• 3.4 双组分空间光孤子间的相互作用特征
• 3.5 本章小结
• 第4章 V 型五能级超冷原子EIT 系统中时间矢量光孤子的特性
• 4.1 引言
• 4.2 超冷原子EIT 介质模型
• 4.3 耦合非线性薛定谔方程及其光孤子对解析解
• 4.4 超慢时间矢量光孤子碰撞及能量转移性质
• 4.5 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在硕士期间完成的学术论文