相干原子介質中非線性效應與量子效應的研究VIP

1、相干原子介質中非線性效應與量子效應的研究【摘要】：光與原子相互作用是物理學的一個重要研究領域。利用相干光場與多能級原子作用過程中的量子干涉效應，可以顯著地改變原子介質的光學特性，產生許多有趣且重要的現(xiàn)象。作為其中的典型代表，電磁感應透明(EIT)效應受到了人們的普遍重視，并且得到了廣泛的研究。本文回顧了EIT效應研究的發(fā)展過程，以及利用EIT介質色散增強，吸收減弱，高非線性折射率的特性，在非線性效應和量子效應方面開展的一系列研究工作。主要介紹了我們利用EIT介質進行的光脈沖減速，光量子存儲與雙通道釋放，可控光致旋光效應，冷原子中的多暗態(tài)現(xiàn)象，冷原子磁精細能級的態(tài)制備，以及原子磁精細能級布居情況

2、的全光學測量等實驗與理論工作。完成的工作主要包括以下幾個方面：1)設計制作了共焦F-P腔反饋半導體激光器和光柵反饋半導體激光器。進行光與原子相互作用研究需要高質量的光源。我們根據不同實驗對光源的不同要求，設計制作了波長對應于Rb原子D1線和D2線的共焦F-P腔反饋半導體激光器和光柵反饋半導體激光器。通過共焦F-P腔反饋，半導體激光器線寬由自由運轉時的10MHz壓窄到45KHz；采用電流同步掃描技術，頻率連續(xù)掃描范圍可以達到3.4GHz。這種激光器主要應用在對激光線寬要求較高的實驗中。采用Littrow式光柵反饋，將激光器線寬壓窄到4MHz左右；采用電流同步掃描技術，頻率連續(xù)掃描范圍可以達到9G

3、Hz。這種激光器主要應用在對激光線寬要求不高，但需要大范圍頻率連續(xù)調諧的實驗中。2)電磁感應透明及其與實驗參量的關系。以A型三能級原子系統(tǒng)為例，用半經典理論給出了EIT效應的理論模型，分析了EIT介質的吸收和色散特性。用自制的不同線寬半導體激光器以及不同的Rb原子氣室(普通Rb泡以及充緩沖氣體Rb泡)，實驗研究了EIT窗口寬度與各個實驗參量間的關系。實驗證明在耦合光較弱情況下，EIT窗口寬度與耦合光拉比頻率成正比；減小耦合光和探針光的激光線寬可以壓窄EIT窗口的寬度；只有當耦合光與探針光的線寬與原子基態(tài)間無輻射躍遷速率31可比擬時，充緩沖氣體對EIT窗口的壓窄效果才能體現(xiàn)出來。這些結論對于更好

4、的理解不同參量在原子相干過程中的作用，更好的認識EIT效應的物理實質，以及更好的利用EIT效應有著非常重要的作用。3)在EIT介質中實現(xiàn)光脈沖減速及光量子存儲。在基態(tài)簡并的型三能級原子介質中，觀察到了由EIT效應導致的光減速現(xiàn)象，實驗測得光脈沖的群速度被減慢到8000ms。研究了經過EIT介質的光脈沖延遲時間對系統(tǒng)單光子頻率失諧量的依賴關系。結果表明，由于多普勒展寬效應的存在，在單光子頻率失諧±600MHz范圍內，光減速現(xiàn)象較為顯著。這一研究結果為利用單光子頻率失諧控制光的群速度提供了理論與實驗參考。在實現(xiàn)光脈沖減速的基礎上，通過絕熱地關斷和開啟耦合光，實驗實現(xiàn)了EIT介質中的光量子

5、存儲與釋放，存儲時間可以達到100gs。在雙型四能級原子系統(tǒng)中，采用不同波長(795nm和780nm)的讀控制光，使存儲在EIT介質中的光量子信息以不同波長光脈沖形式釋放出來。利用光柵可以將不同波長的釋放光脈沖在空間上分離，從而實現(xiàn)存儲光量子信息的可控雙通道釋放。這一結果用來實現(xiàn)高效的全光學路由器，多通道光開關等。4)由非對稱EIT系統(tǒng)導致的光致旋光效應。在多能級EIT系統(tǒng)中，通過選擇特定偏振的耦合光，可以破壞原子介質對探針光左旋和右旋圓偏振分量折射率的對稱性，從而導致探針光偏振面的旋轉。提出了一種新的測量方法，可以扣除吸收對轉角的影響，準確測出由折射率變化引起的探針光偏振面轉角。由于探針光兩

6、分量均與耦合光形成EIT，因此可以在與原子近共振頻率處，用較低功率的耦合光實現(xiàn)探針光偏振面的顯著旋轉，且二向色性小。實驗中耦合光功率15mW時，可以使探針光偏振面旋轉45°。轉角的大小可以由探針光頻率失諧，耦合光功率，以及氣室溫度來控制。這一光致旋光效應方案可以用來實現(xiàn)全光開關，原子波片等光量子器件。5)冷原子介質中的多暗態(tài)現(xiàn)象。建立了用于冷卻與俘獲(87)Rb原子的磁光阱裝置。分別采用收集熒光法和短程飛行時間法測量了俘獲冷原子的數(shù)目和溫度。磁光阱中俘獲冷原子的數(shù)目為109個，密度為10(11)cm(-3)，等效溫度約為200E?；贚abview6.0平臺和PCI6713數(shù)據采集卡

7、開發(fā)了6通道時序信號發(fā)生器，實現(xiàn)了對冷原子系統(tǒng)的靈活控制。實驗演示并理論解釋了在多能級(87)Rb冷原子介質中的多暗態(tài)效應。這一多暗態(tài)效應是由于耦合光在不同Zeeman子能級間不同的躍遷強度而造成的，且只能在冷原子介質中實現(xiàn)。這種多暗態(tài)系統(tǒng)可以用來實現(xiàn)多通道光通訊和多通道的量子信息處理。6)冷原子磁精細能級的態(tài)制備以及原子態(tài)布居情況測量。回顧了對原子磁精細能級(Zeeman子能級)進行態(tài)制備和布居情況測量的各種方法。指出現(xiàn)有測量方法在用于量子光學和量子信息實驗研究的磁光阱裝置上應用的局限性。提出并實驗演示了一種簡單的對冷原子磁精細能級進行態(tài)制備以及測量原子在各磁精細能級上布居情況的全光學方法。

8、通過選擇耦合光和泵浦光的不同偏振組合，原子可以被高純度地制備到任意一個需要的Zeeman子能級上。原子各磁精細能級的布居情況可以非常簡單且直觀地用一束弱的圓偏振探針光測定。這一新的實驗技術可以應用到許多以冷原子為實驗介質的量子光學和量子信息實驗中。其中創(chuàng)新性的工作包括：在利用熱原子EIT介質進行光減速的實驗中，研究了經過EIT介質的光脈沖延遲時間對系統(tǒng)單光子頻率失諧量的依賴關系。在利用EIT介質進行光量子存儲與釋放的實驗中，首次在EIT條件下實現(xiàn)存儲光量子信息的雙波長釋放，并利用光柵將不同波長的釋放光脈沖在空間上分開。實現(xiàn)了存儲光量子信息的可控雙通道釋放。首次提出并實驗證明在多能級原子系統(tǒng)中，

9、利用特定偏振耦合光導致的非對稱EIT系統(tǒng)，可以實現(xiàn)光致旋光效應。該系統(tǒng)中，探針光的兩個圓偏振分量均與耦合光形成EIT，使得我們可以在原子近共振頻率處，利用較小的耦合光功率實現(xiàn)顯著的探針光偏振面轉角，且系統(tǒng)二向色性小。在實驗中，利用15mW的耦合光就可以導致探針光偏振面旋轉45°。轉角的大小可以由探針光頻率失諧，耦合光功率，以及氣室溫度來靈活控制。首次提出利用兩對探測器聯(lián)合測量方法，可以扣除吸收對轉角的影響，準確測出由折射率變化引起的探針光偏振面旋轉角。利用原子不同Zeeman子能級間躍遷強度的不同，首次在冷原子介質中觀測到了熱原子介質中觀察不到的多暗態(tài)現(xiàn)象，并利用半經典理論進行擬合。

10、實驗實現(xiàn)了原子磁精細能級態(tài)制備的全光學方法。通過泵浦光和耦合光的不同偏振組合，可以將原子高純度地制備到基態(tài)的任意一個磁精細能級上。首次提出并實驗演示了一種測量原子磁精細能級布居情況的直觀的全光學方法?！娟P鍵詞】：電磁感應透明光減速光量子存儲光致旋光效應多暗態(tài)【學位授予單位】：山西大學【學位級別】：博士【學位授予年份】：2007【分類號】：O431.2;O437【目錄】：目錄5-11摘要11-14ABSTRACT14-19第一章引言19-291.1電磁感應透明效應(EIT)19-211.2EIT的應用21-281.2.1光群速減慢及光量子存儲21-241.2.2增強的非線性效應24-261.2.

11、3無反轉激光26-271.2.4其他方面的應用27-281.3本文的主要內容28-29第二章光源的準備29-412.1半導體激光二極管29-302.2共焦F-P腔(CFP腔)反饋半導體激光器30-362.2.1CFP腔反饋原理30-312.2.2實驗裝置及結果31-352.2.3電流同步掃描技術35-362.3光柵反饋半導體激光器36-402.4小結40-41第三章電磁感應透明及其與實驗參量的關系41-513.1電磁感應透明的理論模型41-453.2EIT窗口寬度與實驗參量的關系45-503.3小結50-51第四章在EIT介質中實現(xiàn)光脈沖減速和光量子存儲51-684.1EIT導致的光群速減慢效

12、應51-584.1.1EIT效應實現(xiàn)光減速的原理51-524.1.2實驗的能級結構選擇52-544.1.3光減速現(xiàn)象的實驗觀測54-564.1.4光延遲與單光子頻率失諧的關系56-574.1.5光延遲與氣室溫度的關系57-584.2在原子氣室中進行光量子存儲58-664.2.1EIT過程中的暗態(tài)極子59-604.2.2存儲光量子信息的雙通道釋放實驗裝置60-624.2.3存儲光量子信息的雙通道釋放實驗結果62-664.3雙通道光量子存儲66-674.4小結67-68第五章由非對稱EIT系統(tǒng)導致的光致旋光效應68-895.1背景介紹68-745.1.1法拉第磁致旋光效應69-705.1.2磁光效

13、應70-715.1.3光致旋光效應71-745.2我們的方案74-805.2.1基本思想74-755.2.2理論分析75-805.3實驗裝置及測量方法80-835.3.1實驗裝置80-815.3.2測量方法81-835.4實驗結果83-885.4.1轉角測量結果83-855.4.2實驗結果的理論擬合85-885.5小結88-89第六章冷原子介質(87)Rb)中的多暗態(tài)現(xiàn)象89-1046.1(87)Rb原子的冷卻與俘獲以及冷原子參數(shù)測量89-966.1.1(87)Rb原子的冷卻與俘獲89-916.1.2冷原子數(shù)目及密度的測定原理和結果91-926.1.3冷原子溫度測量的原理和實驗結果92-946.1.4時序控制94-966.2冷原子介質中的多暗態(tài)現(xiàn)象96-1036.2.1冷原子中的多暗態(tài)的實驗觀測97-996.2.2多暗態(tài)現(xiàn)象的理論解釋99-1036.3小結103-104第七章冷原子磁精細能級的態(tài)制備以及原子態(tài)布居情況測量104-1167.1原子磁精細能級態(tài)制備以及態(tài)布居情況測量的意義104-1077.2原子磁精細能級的態(tài)制