梯模型系统中基于原子相干的粒子数转换和频率转换研究

论文摘要

光与物质相互作用是当今物理学中的一个重要研究内容,利用相干光场与多能级原子作用所产生的的量子干涉效应,例如：电磁感应光透明、无反转激光、光速减慢、光信息存储、光与原子纠缠等,可以显著地改变原子介质的光学特性,产生许多有趣且有应用价值的现象,进而解决光物理和光技术中的许多问题。原子相干的实质是利用某些方法使原子不同能级间发生关联,从而在原子的多通道跃迁中发生量子干涉。这项技术对于提高介质的非线性能量转化效率,进行光信号处理,发展短波长激光器和高功率激光器及光通讯等有着广泛的应用价值。人们已经提出了多种实现原子相干的方法,如弱磁场感应的原子相干、强激光场感应的原子相干、真空辐射场感应的原子相干和微波场感应的原子相干等。近些年来,在绝热过程中利用拉曼场驱动,建立两个量子态之间的相干效应备受关注,提出了多种解决方法和技术手段,例如受激拉曼绝热过程（Stimulated Raman Adiabatic Passage,简称STIRAP）、斯塔克啁啾绝热过程（Stark-chirped rapid adiabatic passage,简称SCRAP）等。上述关于量子相干效应的理论和实验研究多是在具有塞曼简并能级的原子中进行的,很难实现在两个间隔较大的能级间实现频率转换。为了获得紫外和更短波段的激光振荡,人们曾经提出了一些有效的方法和手段,如通过强相干驱动场产生的原子相干实现无反转增益,非线性介质的频率转换效应等,因此如何在原子的两个分立能级之间建立起最大的相干性成为量子光学领域新的研究课题,B. D. DePaola在三能级梯模型原子系统中,通过数值计算研究了利用STIRAP技术建立两个远离能级间的最大相干,K. Bergmann等人提出了利用斯塔克转换实现三能级梯模型系统的最大相干,并进行了详尽的理论分析。本文以梯模型原子系统为研究对象,致力于在三能级和四能级系统中实现基态到高激发态的粒子数转移,进而获得基态和高激发态之间较大的相干性,并由此实现在四能级系统中增强的四波混频,得到获取短波长激光的有效办法。本论文共分五个部分,具体内容如下：第一部分：介绍国内外关于原子相干研究的进展,采用的研究方法、手段和相关现象的物理机制；介绍获得原子相干和实现粒子数转换常用的受激拉曼绝热过程、π脉冲的基本理论和研究现状；介绍四波混频的基本原理和研究现状。第二部分：作为本文的理论基础,介绍描述场与物质相互作用的量子力学方程、描述量子系统的三种基本图像、经典场的传播方程和处理光与物质相互作用问题时应用的缀饰态理论,介绍原子系统的绝热条件和布洛赫矢量的表示方法等。第三部分：研究三能级梯模型原子系统中,存在原子自发弛豫的情况下,由Pump脉冲和Stokes脉冲作用实现的基态和高激发态之间较大的原子相干和粒子数转换。我们利用绝热演化和弱移相近似,把密度矩阵方程从透热态变换到绝热态,得到了基态和最高激发态之间相干以及各能级粒子数布居的解析解,分析了自发弛豫速率、脉宽和两个脉冲之间的时间延迟对原子相干和粒子数转换产生的影响,最后我们通过数值计算得到了与解析解完全一致的结果,进一步证明这项技术的正确性,同时也证明在解析计算过程中所采用的近似是合理的。第四部分：研究在四能级梯模型系统中,通过把STIRAP和π脉冲相结合这项新技术,建立基态能级和高激发能级之间最优化的原子相干和粒子数转换。研究表明,通过合理安排三个脉冲场的时序,同时选择具有较长寿命的里德伯态作为高激发态,不仅能够获得较大的相干和粒子数转换,还能使相干和粒子数转换维持较长时间。利用密度矩阵方程和麦克斯韦方程进行的数值计算结果,详细分析了π脉冲的输入时间、π脉冲的形状及原子能级上的弛豫和脉冲场失谐对基态和高激发态之间的原子相干和粒子数转换的影响。第五部分：研究在四能级梯模型系统中,通过两个连续相干场作用,建立起基态和中间激发态之间的原子相干和粒子数转换,当相干场的作用使原子处于稳态时,在两个高激发能级之间加入脉冲探测场,通过受激拉曼作用,在基态和最高激发态之间获得较短波长的反斯托克斯激光信号。通过数值计算和理论分析,我们得出了获得最大频率转换效率的必要条件,同时研究分析了两相干场的强度、探测场的脉冲宽度、探测场失谐等因素以及原子的各项参数对获得最大频率转换效率的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 产生原子相干的基本方法
• 1.1.1 弱磁场感应的原子相干
• 1.1.2 强激光场感应的原子相干
• 1.1.3 微波场感应的原子相干
• 1.1.4 真空辐射场感应的原子相干
• 1.2 与本论文有关的原子相干效应简介
• 1.2.1 电磁感应光透明
• 1.2.2 无粒子数反转光放大
• 1.3 受激拉曼绝热过程的物理机制及研究现状
• 1.3.1 受激拉曼绝热过程（STIRAP）
• 1.3.2 部分受激拉曼绝热过程（F-STIRAP）
• 1.3.3 研究现状
• 1.4 三种特殊激光脉冲的物理机制及研究现状
• 1.4.1 π/2脉冲和量子干涉
• 1.4.2 2π脉冲和自感应透明效应
• 1.4.3 π/2脉冲和最大相干
• 1.4.4 研究现状
• 1.5 四波混频技术的基本原理及研究现状
• 1.5.1 简并四波混频基本理论
• 1.5.2 研究现状
• 1.6 本论文的主要内容及意义
• 第2章 研究原子相干现象的理论工具
• 2.1 半经典理论的自恰方程组
• 2.2 描述场与物质相互作用的量子力学方程
• 2.2.1 场与原子偶极近似下的相互作用哈密顿量
• 2.2.2 原子算符表示下和旋转波近似下的原子与场相互作用哈密顿量
• 2.2.3 原子中电子的密度算符及其方程
• 2.3 描述量子系统的三种基本图象
• 2.3.1 薛定谔图象
• 2.3.2 海森堡图象
• 2.3.3 相互作用图象
• 2.4 经典波场的传播方程
• 2.4.1 光脉冲电场的复数表示
• 2.4.2 脉冲宽度和光谱宽度
• 2.4.3 物质与场相互作用的经典波场的复振幅方程
• 2.5 缀饰态理论
• 2.5.1 缀饰态描述的全量子理论
• 2.5.2 缀饰态描述的半经典理论
• 2.5.3 在缀饰态表象中用几率振幅法表示密度矩阵元
• 2.6 绝热条件
• 2.7 布洛赫矢量
• 第3章 三能级梯模型系统中的原子相干及粒子数转换
• 3.1 引言
• 3.2 理论模型、密度矩阵方程及方程的解析解
• 3.2.1 理论模型与密度矩阵方程
• 3.2.2 求方程的解析解
• 3.3 基于解析解的分析与讨论
• 3.3.1 原子相干的优化
• 3.3.2 粒子数转换的优化
• 3.4 基于数值解的分析与讨论
• 3.5 本章小结
• 第4章 四能级梯模型系统中利用STIRP和π脉冲技术实现的原子相干及粒子数转换
• 4.1 引言
• 4.2 基本理论和方程
• 4.3 数值分析及讨论
• 4.3.1 粒子数转换
• 4.3.2 原子相干
• 4.4 本章小结
• 第5章 四能级梯形原子系统中基于原子相干的频率上转换
• 5.1 引言
• 5.2 理论模型与密度矩阵方程
• 5.3 数值分析与讨论
• 5.3.1 相干场的强度对频率转换效率的影响
• s的强度和脉宽对频率转换效率的影响'>5.3.2 探测场Ω_s的强度和脉宽对频率转换效率的影响
• s的失谐对频率转换效率的影响'>5.3.3 探测场Ω_s的失谐对频率转换效率的影响
• 5.3.4 原子参数对频率转换效率的影响
• 5.4 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