相干原子介質(zhì)中非線性效應(yīng)與量子效應(yīng)的研究

1、相干原子介質(zhì)中非線性效應(yīng)與量子效應(yīng)的研究【摘要】：光與原子相互作用是物理學(xué)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。利用相干光場(chǎng)與多能級(jí)原子作用過程中的量子干涉效應(yīng)，可以顯著地改變?cè)咏橘|(zhì)的光學(xué)特性，產(chǎn)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(yīng)透明(EIT)效應(yīng)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(yīng)研究的發(fā)展過程，以及利用EIT介質(zhì)色散增強(qiáng)，吸收減弱，高非線性折射率的特性，在非線性效應(yīng)和量子效應(yīng)方面開展的一系列研究工作。主要介紹了我們利用EIT介質(zhì)進(jìn)行的光脈沖減速，光量子存儲(chǔ)與雙通道釋放，可控光致旋光效應(yīng)，冷原子中的多暗態(tài)現(xiàn)象，冷原子磁精細(xì)能級(jí)的態(tài)制備，以及原子磁精細(xì)能級(jí)布居情況

2、的全光學(xué)測(cè)量等實(shí)驗(yàn)與理論工作。完成的工作主要包括以下幾個(gè)方面：1)設(shè)計(jì)制作了共焦F-P腔反饋半導(dǎo)體激光器和光柵反饋半導(dǎo)體激光器。進(jìn)行光與原子相互作用研究需要高質(zhì)量的光源。我們根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)對(duì)光源的不同要求，設(shè)計(jì)制作了波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于Rb原子D1線和D2線的共焦F-P腔反饋半導(dǎo)體激光器和光柵反饋半導(dǎo)體激光器。通過共焦F-P腔反饋，半導(dǎo)體激光器線寬由自由運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的10MHz壓窄到45KHz；采用電流同步掃描技術(shù)，頻率連續(xù)掃描范圍可以達(dá)到3.4GHz。這種激光器主要應(yīng)用在對(duì)激光線寬要求較高的實(shí)驗(yàn)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(shù)，頻率連續(xù)掃描范圍可以達(dá)到9G

3、Hz。這種激光器主要應(yīng)用在對(duì)激光線寬要求不高，但需要大范圍頻率連續(xù)調(diào)諧的實(shí)驗(yàn)中。2)電磁感應(yīng)透明及其與實(shí)驗(yàn)參量的關(guān)系。以A型三能級(jí)原子系統(tǒng)為例，用半經(jīng)典理論給出了EIT效應(yīng)的理論模型，分析了EIT介質(zhì)的吸收和色散特性。用自制的不同線寬半導(dǎo)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(shí)驗(yàn)研究了EIT窗口寬度與各個(gè)實(shí)驗(yàn)參量間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)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(dāng)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(shí)，充緩沖氣體對(duì)EIT窗口的壓窄效果才能體現(xiàn)出來。這些結(jié)論對(duì)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(rèn)識(shí)EIT效應(yīng)的物理實(shí)質(zhì)，以及更好的利用EIT效應(yīng)有著非常重要的作用。3)在EIT介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)光脈沖減速及光量子存儲(chǔ)。在基態(tài)簡(jiǎn)并的型三能級(jí)原子介質(zhì)中，觀察到了由EIT效應(yīng)導(dǎo)致的光減速現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)測(cè)得光脈沖的群速度被減慢到8000ms。研究了經(jīng)過EIT介質(zhì)的光脈沖延遲時(shí)間對(duì)系統(tǒng)單光子頻率失諧量的依賴關(guān)系。結(jié)果表明，由于多普勒展寬效應(yīng)的存在，在單光子頻率失諧±600MHz范圍內(nèi)，光減速現(xiàn)象較為顯著。這一研究結(jié)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(shí)驗(yàn)參考。在實(shí)現(xiàn)光脈沖減速的基礎(chǔ)上，通過絕熱地關(guān)斷和開啟耦合光，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了EIT介質(zhì)中的光量子

5、存儲(chǔ)與釋放，存儲(chǔ)時(shí)間可以達(dá)到100gs。在雙型四能級(jí)原子系統(tǒng)中，采用不同波長(zhǎng)(795nm和780nm)的讀控制光，使存儲(chǔ)在EIT介質(zhì)中的光量子信息以不同波長(zhǎng)光脈沖形式釋放出來。利用光柵可以將不同波長(zhǎng)的釋放光脈沖在空間上分離，從而實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)光量子信息的可控雙通道釋放。這一結(jié)果用來實(shí)現(xiàn)高效的全光學(xué)路由器，多通道光開關(guān)等。4)由非對(duì)稱EIT系統(tǒng)導(dǎo)致的光致旋光效應(yīng)。在多能級(jí)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(zhì)對(duì)探針光左旋和右旋圓偏振分量折射率的對(duì)稱性，從而導(dǎo)致探針光偏振面的旋轉(zhuǎn)。提出了一種新的測(cè)量方法，可以扣除吸收對(duì)轉(zhuǎn)角的影響，準(zhǔn)確測(cè)出由折射率變化引起的探針光偏振面轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)探針光偏振面的顯著旋轉(zhuǎn)，且二向色性小。實(shí)驗(yàn)中耦合光功率15mW時(shí)，可以使探針光偏振面旋轉(zhuǎn)45°。轉(zhuǎn)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(yīng)方案可以用來實(shí)現(xiàn)全光開關(guān)，原子波片等光量子器件。5)冷原子介質(zhì)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(shí)間法測(cè)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(gè)，密度為10(11)cm(-3)，等效溫度約為200E。基于Labview6.0平臺(tái)和PCI6713數(shù)據(jù)采集卡

7、開發(fā)了6通道時(shí)序信號(hào)發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)冷原子系統(tǒng)的靈活控制。實(shí)驗(yàn)演示并理論解釋了在多能級(jí)(87)Rb冷原子介質(zhì)中的多暗態(tài)效應(yīng)。這一多暗態(tài)效應(yīng)是由于耦合光在不同Zeeman子能級(jí)間不同的躍遷強(qiáng)度而造成的，且只能在冷原子介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)。這種多暗態(tài)系統(tǒng)可以用來實(shí)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(xì)能級(jí)的態(tài)制備以及原子態(tài)布居情況測(cè)量?；仡櫫藢?duì)原子磁精細(xì)能級(jí)(Zeeman子能級(jí))進(jìn)行態(tài)制備和布居情況測(cè)量的各種方法。指出現(xiàn)有測(cè)量方法在用于量子光學(xué)和量子信息實(shí)驗(yàn)研究的磁光阱裝置上應(yīng)用的局限性。提出并實(shí)驗(yàn)演示了一種簡(jiǎn)單的對(duì)冷原子磁精細(xì)能級(jí)進(jìn)行態(tài)制備以及測(cè)量原子在各磁精細(xì)能級(jí)上布居情況的全光學(xué)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(gè)需要的Zeeman子能級(jí)上。原子各磁精細(xì)能級(jí)的布居情況可以非常簡(jiǎn)單且直觀地用一束弱的圓偏振探針光測(cè)定。這一新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以應(yīng)用到許多以冷原子為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)的量子光學(xué)和量子信息實(shí)驗(yàn)中。其中創(chuàng)新性的工作包括：在利用熱原子EIT介質(zhì)進(jìn)行光減速的實(shí)驗(yàn)中，研究了經(jīng)過EIT介質(zhì)的光脈沖延遲時(shí)間對(duì)系統(tǒng)單光子頻率失諧量的依賴關(guān)系。在利用EIT介質(zhì)進(jìn)行光量子存儲(chǔ)與釋放的實(shí)驗(yàn)中，首次在EIT條件下實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)光量子信息的雙波長(zhǎng)釋放，并利用光柵將不同波長(zhǎng)的釋放光脈沖在空間上分開。實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)光量子信息的可控雙通道釋放。首次提出并實(shí)驗(yàn)證明在多能級(jí)原子系統(tǒng)中，

9、利用特定偏振耦合光導(dǎo)致的非對(duì)稱EIT系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)光致旋光效應(yīng)。該系統(tǒng)中，探針光的兩個(gè)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(shí)現(xiàn)顯著的探針光偏振面轉(zhuǎn)角，且系統(tǒng)二向色性小。在實(shí)驗(yàn)中，利用15mW的耦合光就可以導(dǎo)致探針光偏振面旋轉(zhuǎn)45°。轉(zhuǎn)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(duì)探測(cè)器聯(lián)合測(cè)量方法，可以扣除吸收對(duì)轉(zhuǎn)角的影響，準(zhǔn)確測(cè)出由折射率變化引起的探針光偏振面旋轉(zhuǎn)角。利用原子不同Zeeman子能級(jí)間躍遷強(qiáng)度的不同，首次在冷原子介質(zhì)中觀測(cè)到了熱原子介質(zhì)中觀察不到的多暗態(tài)現(xiàn)象，并利用半經(jīng)典理論進(jìn)行擬合。

10、實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了原子磁精細(xì)能級(jí)態(tài)制備的全光學(xué)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(gè)磁精細(xì)能級(jí)上。首次提出并實(shí)驗(yàn)演示了一種測(cè)量原子磁精細(xì)能級(jí)布居情況的直觀的全光學(xué)方法?！娟P(guān)鍵詞】：電磁感應(yīng)透明光減速光量子存儲(chǔ)光致旋光效應(yīng)多暗態(tài)【學(xué)位授予單位】：山西大學(xué)【學(xué)位級(jí)別】：博士【學(xué)位授予年份】：2007【分類號(hào)】：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(yīng)透明效應(yīng)(EIT)19-211.2EIT的應(yīng)用21-281.2.1光群速減慢及光量子存儲(chǔ)21-241.2.2增強(qiáng)的非線性效應(yīng)24-261.2.

11、3無反轉(zhuǎn)激光26-271.2.4其他方面的應(yīng)用27-281.3本文的主要內(nèi)容28-29第二章光源的準(zhǔn)備29-412.1半導(dǎo)體激光二極管29-302.2共焦F-P腔(CFP腔)反饋半導(dǎo)體激光器30-362.2.1CFP腔反饋原理30-312.2.2實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果31-352.2.3電流同步掃描技術(shù)35-362.3光柵反饋半導(dǎo)體激光器36-402.4小結(jié)40-41第三章電磁感應(yīng)透明及其與實(shí)驗(yàn)參量的關(guān)系41-513.1電磁感應(yīng)透明的理論模型41-453.2EIT窗口寬度與實(shí)驗(yàn)參量的關(guān)系45-503.3小結(jié)50-51第四章在EIT介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)光脈沖減速和光量子存儲(chǔ)51-684.1EIT導(dǎo)致的光群速減慢效

12、應(yīng)51-584.1.1EIT效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光減速的原理51-524.1.2實(shí)驗(yàn)的能級(jí)結(jié)構(gòu)選擇52-544.1.3光減速現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)54-564.1.4光延遲與單光子頻率失諧的關(guān)系56-574.1.5光延遲與氣室溫度的關(guān)系57-584.2在原子氣室中進(jìn)行光量子存儲(chǔ)58-664.2.1EIT過程中的暗態(tài)極子59-604.2.2存儲(chǔ)光量子信息的雙通道釋放實(shí)驗(yàn)裝置60-624.2.3存儲(chǔ)光量子信息的雙通道釋放實(shí)驗(yàn)結(jié)果62-664.3雙通道光量子存儲(chǔ)66-674.4小結(jié)67-68第五章由非對(duì)稱EIT系統(tǒng)導(dǎo)致的光致旋光效應(yīng)68-895.1背景介紹68-745.1.1法拉第磁致旋光效應(yīng)69-705.1.2磁光效

13、應(yīng)70-715.1.3光致旋光效應(yīng)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(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量方法80-835.3.1實(shí)驗(yàn)裝置80-815.3.2測(cè)量方法81-835.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果83-885.4.1轉(zhuǎn)角測(cè)量結(jié)果83-855.4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理論擬合85-885.5小結(jié)88-89第六章冷原子介質(zhì)(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(cè)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(cè)定原理和結(jié)果91-926.1.3冷原子溫度測(cè)量的原理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果92-946.1.4時(shí)序控制94-966.2冷原子介質(zhì)中的多暗態(tài)現(xiàn)象96-1036.2.1冷原子中的多暗態(tài)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)97-996.2.2多暗態(tài)現(xiàn)象的理論解釋99-1036.3小結(jié)103-104第七章冷原子磁精細(xì)能級(jí)的態(tài)制備以及原子態(tài)布居情況測(cè)量104-1167.1原子磁精細(xì)能級(jí)態(tài)制備以及態(tài)布居情況測(cè)量的意義104-1077.2原子磁精細(xì)能級(jí)的態(tài)制