前沿讲座-量子干涉与相干

1、Quantum Interference and Coherence量子干涉与相干现象2014-10-14Classical Interference and Coherence单色光源单色光源21MM反反射射镜镜 2M反射镜反射镜1M2G补偿板补偿板 分光板分光板 1G 移动导轨移动导轨1MMichelson Interferometer(Temporal coherence)Young Interferometer(Spatial coherence)Light is wave-like.Quantum Interference and CoherenceThe corpuscular p

2、roperties of lightDirac Each photon interefece only with itself. Interferece between different photons never occurs. The system of the two slits and a photon is a single quantum system.Interference was predicted and observed between Interference was predicted and observed between independent light b

3、eams.independent light beams.The photon is on a superposition state.Interference was also observed with many kinds of material Interference was also observed with many kinds of material particals, such as electons, neutrons and atoms.particals, such as electons, neutrons and atoms.IntroductionLaser:

4、 Light Amplification for Stimulated Emission of RadiationProperties： 方向性好、单色性好、相干性高、亮度高方向性好、单色性好、相干性高、亮度高Laser Technology：Ultrashort & ultra-intense主要是指激光器本身技术的发展，主要是指激光器本身技术的发展， 激光的强度及激光脉激光的强度及激光脉冲的宽度。冲的宽度。Laser Physics：The interaction of lasers with mattersLaser Spectroscopy、Nonlinear Optics、P

5、hysics of Laser Plasma、Quantum Optics -量子电子学领域的基础工作导致基于量子电子学领域的基础工作导致基于MASERMASER和和LASERLASER原理的振荡器和放大器的制成原理的振荡器和放大器的制成Charles Hard TownesUSA 1915 -Nicolay Gennadiyevich Basov USSR 1922 -Aleksandr Mikhailovich Prokhorov USSR 1916 - The Nobel Prize in Physics 1964for fundamental work in the field of

6、quantum electronics, which has led to the construction of oscillators and amplifiers based on the maser-laser principleThe Nobel Prize for Physics in 1964 is given for the invention of the maser and the The Nobel Prize for Physics in 1964 is given for the invention of the maser and the laser. “Maser

7、”, stands for “microwave amplification by stimulated emission of laser. “Maser”, stands for “microwave amplification by stimulated emission of radiation”, and the word “laser” is obtained by replacing “microwave” by radiation”, and the word “laser” is obtained by replacing “microwave” by “light” .“l

8、ight” .The Nobel Prize in Physics 1981 for their contribution to the development of laser spectroscopyNicolaas Bloembergen USA 1920-Arthur Leonard Schawlow USA 1921-1999 for his contribution to the development of high-resolution electron spectroscopyKai M. Siegbahn Sweden 1918 - for development of l

9、aser spectroscopy and high-resolution electron spectroscopyThe Nobel Prize in Physics 1997 Steven Chu USA 1948-Claude Cohen-Tannoudji France 1933-William D. PhillipsUSA 1948-This years Nobel laureates in physics have developed methods of cooling and rapping atoms by using laser light. Their research

10、 is helping us to study fundamental phenomena and measure important physical quantities with unprecedented precision. for developments to cool and trap atoms with laser light have developed methods of using laser light to cool gases to the K temperature range and keeping the chilled atoms floating o

11、r captured in different kinds of atom traps. The Nobel Prize in Physics 2001for the achievement of Bose-Einstein condensation in dilute gases of alkali atoms, and for early fundamental studies of the properties of the condensates Eric A. CornellUSA 1961 - Wolfgang Ketterle Germany 1957 - Carl E. Wie

12、manUSA 1951 - The Nobel Prize in Physics 2005For his contribution to the quantum theory of optical coherence; For their contributions to precision spectroscopyThe Nobel Prize in Physics 2012for ground-breaking experimental methods that enable measuring and manipulation of individual quantum systemsS

13、erge HarocheCollge de France, Paris, FranceDavid J. WinelandUniversity of Colorado, Boulder, CO, USA量子干涉或者原子相干的产生量子干涉或者原子相干的产生：通过相干场：通过相干场or非相干过程非相干过程Control（控制）（控制）：指通过特定的手段或技术来控制某一指通过特定的手段或技术来控制某一行为或过程，最终实现人们所需要的目标状态。行为或过程，最终实现人们所需要的目标状态。社会科学领域：社会科学领域：社会的秩序、正常发展及稳定等等均离不社会的秩序、正常发展及稳定等等均离不开国家机器的控制；开

14、国家机器的控制；自然科学领域：自然科学领域：随着科学技术的发展，各种控制技术已经随着科学技术的发展，各种控制技术已经渗透到我们日常生活的各个角落。渗透到我们日常生活的各个角落。The phenomenon of Quantum Interference and Coherence利用相干激光场激发原子、分子等量子体系的相干，通过利用相干激光场激发原子、分子等量子体系的相干，通过特定的激光脉冲来控制系统的相互作用过程，来实现人们特定的激光脉冲来控制系统的相互作用过程，来实现人们所需要的目的状态。所需要的目的状态。相干控制的设想最早是在化学反应动力学领域提出的，目相干控制的设想最早是在化学反应动力

15、学领域提出的，目的是控制化学反应过程，获得需要的产物。的是控制化学反应过程，获得需要的产物。随着脉冲整形和压缩技术的发展和提高，相干量子操控技随着脉冲整形和压缩技术的发展和提高，相干量子操控技术将会促进术将会促进光物理、光化学、生物光学、量子信息科学以光物理、光化学、生物光学、量子信息科学以及阿秒科学技术及阿秒科学技术等许多交叉或新兴学科的共同发展。等许多交叉或新兴学科的共同发展。Quantum Coherent control1. 结构调控结构调控：利用材料的结构特征进行调控，比如原子、利用材料的结构特征进行调控，比如原子、分子及半导体纳米微结构等；分子及半导体纳米微结构等；2. 外场调控外

16、场调控：振幅、相位、啁啾及形状等。振幅、相位、啁啾及形状等。 量子调控的途径：量子调控的途径：化学化学生物学生物学信息学信息学经典光学经典光学上世纪上世纪6060年代年代激光激光的诞生的诞生基础基础激光的应用激光的应用非线性光学、量子光学非线性光学、量子光学物理学物理学光与物质的相干相互作用光与物质的相干相互作用151. 经典理论：经典理论：光场用经典麦克斯韦方程描述，物质看成光场用经典麦克斯韦方程描述，物质看成服从经典牛顿力学的大量粒子的系综；服从经典牛顿力学的大量粒子的系综；2. 半经典理论半经典理论:光场行为仍然用麦克斯韦方程描述，量光场行为仍然用麦克斯韦方程描述，量子力学来描述物质体系

17、，即用算符，波函数，几率幅子力学来描述物质体系，即用算符，波函数，几率幅等概念和相应的理论；等概念和相应的理论；3. 全量子理论：全量子理论：电磁场和原子都是量子化的。电磁场和原子都是量子化的。 在在不涉及到光子的量子行为，不涉及到光子的量子行为，如自发辐射、光子计数如自发辐射、光子计数等时，等时，半经典理论半经典理论便便足以解释光与物质相互作用过程中的足以解释光与物质相互作用过程中的各种现象。但是当各种现象。但是当涉及光子的量子行为涉及光子的量子行为时，就必须采用时，就必须采用全全量子理论量子理论来处理光与物质的相互作用。来处理光与物质的相互作用。光与物质的相互作用光与物质的相互作用1. C

18、oherent Population Trapping 不管是在传统的不管是在传统的态态-态碰撞动力学、同位素分离、激光控制化学态碰撞动力学、同位素分离、激光控制化学反应研究，反应研究，还是在当前的还是在当前的原子光学或量子信息科学原子光学或量子信息科学中，都要求中，都要求原子或分子制备在特定的态上。我们这里最感兴趣的是原子或分子制备在特定的态上。我们这里最感兴趣的是特定态特定态上随时间变化的布居数。上随时间变化的布居数。 由于在量子信息方面不断增长的兴趣，由于在量子信息方面不断增长的兴趣，如何建立和操纵特定的如何建立和操纵特定的相干量子叠加态相干量子叠加态也日益为人们所关心。更为普遍的原子或

19、分子也日益为人们所关心。更为普遍的原子或分子系综的特征则体现在随时间变化的态矢量中。系综的特征则体现在随时间变化的态矢量中。 相干量子态的相干量子态的转移转移及其相干叠加态的及其相干叠加态的制备制备，对系，对系统的光学相应统的光学相应有着本质的改变：有着本质的改变：激光诱导的（类）原子态的相干性，导致了激光诱导的（类）原子态的相干性，导致了不同激发通道间的量子干涉效应，不同激发通道间的量子干涉效应， 从而改变了系统的光学特性。从而改变了系统的光学特性。 有选择地进行布居转移的系列方案，比如采用有选择地进行布居转移的系列方案，比如采用直接相干激发、直接相干激发、啁啾脉冲激发、利用受激拉曼绝热跟随

20、技术啁啾脉冲激发、利用受激拉曼绝热跟随技术等等，为相干控制等等，为相干控制原子分子动力学过程开辟了新的途径。原子分子动力学过程开辟了新的途径。 在一定条件下，所有的粒子都被捕获在基态在一定条件下，所有的粒子都被捕获在基态|1和和|2的叠加态上的叠加态上；由于由于激发态上没有粒子，介质对光场没有吸收激发态上没有粒子，介质对光场没有吸收，也，也就没有荧光可就没有荧光可被探测；此叠加态定义为被探测；此叠加态定义为暗态。暗态。相干布居捕获有一个重要的应用相干布居捕获有一个重要的应用实现实现绝热布居迁移。绝热布居迁移。(E.Arimondo, Progress in Optics, Vol XXXV,

21、257(1996) Dark State （暗态）（暗态）2|sin1 |cos|D12312 Stimulated Raman Adiabatic Passage反序脉冲对反序脉冲对单原子腔量子电动力学：单原子腔量子电动力学：考虑如图所示的三能级原子腔相互作用考虑如图所示的三能级原子腔相互作用示意图示意图abc以以|a,n+1,|b,n,|c,n|a,n+1,|b,n,|c,n为基矢，由系统哈密顿量可得该原子腔相互作用系统存在一为基矢，由系统哈密顿量可得该原子腔相互作用系统存在一暗态：暗态： 人们感兴趣的是人们感兴趣的是n=1态。如果初始原子处于态。如果初始原子处于|c,0态，态， 经过受激

22、绝经过受激绝热热跟随技术后，可使暗态绝热地变为跟随技术后，可使暗态绝热地变为|a,1.因此，利用绝热跟随技术因此，利用绝热跟随技术可可实现单光子态的产生实现单光子态的产生。并且已在试验上实现（。并且已在试验上实现（Hennrich， et al , PRL 85, 4872(2000)） 受激拉曼绝热技术在量子光学中的应用受激拉曼绝热技术在量子光学中的应用 Nuclear coherent population transfer with X-ray laser pulses2. Electromagnetically Induced Electromagnetically Induced T

23、ransparencyTransparency电磁感应透明（电磁感应透明（Electromagnetically Induced TransparencyElectromagnetically Induced Transparency，EITEIT）是是Harris等人首先于等人首先于19901990年提出来的。年提出来的。当探测光与跃迁能级共振时，介质对探当探测光与跃迁能级共振时，介质对探测光有很强的测光有很强的共振吸收共振吸收（洛仑兹型）。（洛仑兹型）。强烈的共振吸收强烈的共振吸收共振时没有吸收共振时没有吸收二能级系统二能级系统三能级系统三能级系统吸收与色散吸收与色散吸收与色散吸收与色散E

24、ITEIT电磁感应透明是指电磁感应透明是指通过外加控制场通过外加控制场与吸收介与吸收介质相互作用，使得质相互作用，使得介质对探测场的吸收发生介质对探测场的吸收发生改变，透射率增加甚至完全透明改变，透射率增加甚至完全透明。典型的三能级典型的三能级型原子系统型原子系统 EIT因其在因其在光速减慢，量子信息存储与释放、光学原子钟光速减慢，量子信息存储与释放、光学原子钟以及以及实现高效非线性相互作用过程实现高效非线性相互作用过程等方面的应用而受到人们的关注。等方面的应用而受到人们的关注。 被著名光学专家沈元壤教授称为新世纪光学界两大热点研究领被著名光学专家沈元壤教授称为新世纪光学界两大热点研究领域之一

25、。域之一。 以典型的三能级以典型的三能级型原子系统型原子系统为例，当一个为例，当一个弱的探测场弱的探测场和一个和一个强强的驱动场的驱动场与该系统共同作用，在与该系统共同作用，在双双光子共振光子共振条件下条件下两条跃迁途径的干两条跃迁途径的干涉相消涉相消导致原本不透明的介质表现导致原本不透明的介质表现出了透明特性，介质对探测场出了透明特性，介质对探测场既不既不吸收也不色散，吸收也不色散，同时同时介质的折射率介质的折射率性质也发生了显著变化性质也发生了显著变化，这就是所，这就是所谓的谓的电磁感应透明现象电磁感应透明现象。 EIT的实验观察的实验观察 光在真空中的传播速度是光在真空中的传播速度是c，

26、在介质中的传播速度为，在介质中的传播速度为v=c/n (n为常为常数，介质的折射率）；由于一般介质的折射率数，介质的折射率）；由于一般介质的折射率n不可能太大，因而光不可能太大，因而光在介质的传播速度是非常大的在介质的传播速度是非常大的 。现在人们利用电磁感应透明原理可。现在人们利用电磁感应透明原理可以实现光速减慢甚至停止。以实现光速减慢甚至停止。波包的峰值传播速度叫群速度，以波包的峰值传播速度叫群速度，以 表表示。示。定义群速度定义群速度 g群速度和线性极化率的关系群速度和线性极化率的关系为：为： 1v/122pgpc群速度与群速度与实部的一阶导数直接有关，在色散曲线图上表现为实部的一阶导数

27、直接有关，在色散曲线图上表现为EIT窗口位置的斜率。斜率越大，群速度就越慢。窗口位置的斜率。斜率越大，群速度就越慢。折射率和线性极化率关系折射率和线性极化率关系为：为：( , )1( , )nkk (3-2)(3-3)(3-1) Subluminal(慢光速慢光速) with EIT/kn c1Re(/)Re(/) gvddkdk d 在共振条件下，可实现探测光在传播过程处于电磁感应在共振条件下，可实现探测光在传播过程处于电磁感应透明状态；在透明区域，存在非常陡峭的折射率变化。在透明状态；在透明区域，存在非常陡峭的折射率变化。在此条件下，光在介质中的传播速度可表示为：此条件下，光在介质中的传播

28、速度可表示为： ddnncv Light Slow Down从上式可以看出，当从上式可以看出，当 dn/d 非常大时，可以实现光速减慢，实验上已实现每秒十几非常大时，可以实现光速减慢，实验上已实现每秒十几米（米（L. V. Lau, Nature 397, 594(1999)）。）。控制场的加入不仅可以改变和调控双控制场的加入不仅可以改变和调控双光子共振区介质对探测光脉冲的吸收光子共振区介质对探测光脉冲的吸收特性（如左上图），还可以改变和调特性（如左上图），还可以改变和调控介质的色散性质（如左下图）。从控介质的色散性质（如左下图）。从图中可以明显看出，在双光子共振区图中可以明显看出，在双光子共

29、振区域，控制场的加入使得介质由反常色域，控制场的加入使得介质由反常色散变为正常色散。此时探测光脉冲在散变为正常色散。此时探测光脉冲在介质中传播的群速度由下式给出（为介质中传播的群速度由下式给出（为了方便，这里已将探测场量子化）：了方便，这里已将探测场量子化）：上式表明，由于透明窗口内上式表明，由于透明窗口内色散曲线色散曲线异常陡峭异常陡峭，探测光脉冲在介质中将以，探测光脉冲在介质中将以慢光速传输慢光速传输。甚至在特定条件下可以。甚至在特定条件下可以将群速度降为将群速度降为0，即将探测光脉冲存，即将探测光脉冲存储在介质中。储在介质中。 Harris率先提出率先提出基于基于EIT的慢光思想的慢光思

30、想 PRA 46, R29 (1992) 肖敏小组在肖敏小组在Rb中将探测光脉冲的群速度减慢到中将探测光脉冲的群速度减慢到c/13.2 PRL 74, 666 (1995) Harris小组在小组在10cm长的长的Pb蒸汽室观察到群速度为蒸汽室观察到群速度为 c/165的慢光现象的慢光现象 PRL 74, 2447 (1995) Schmidt进一步将群速度降低至进一步将群速度降低至c/3000 PRA 53, R27 (1996) Hau在在玻色玻色-爱因斯坦凝聚的超冷钠原子爱因斯坦凝聚的超冷钠原子中将群速度降低至中将群速度降低至17m/s Nature 397, 594 (1999) Ka

31、sh在在360K的的Rb原子蒸汽中观测到超慢群速度原子蒸汽中观测到超慢群速度(90m/s)PRL 82, 5299 (1999) Budker, 室温室温Rb蒸汽，蒸汽，8m/s PRL 83, 1767 (1999) Turukhin，掺，掺Pr的的Y2SiO5，45m/s PRL 88, 023602 (2002) Biglow，室温红宝石晶体，室温红宝石晶体，57.5m/s PRL 90, 113903 (2003) Fleischhauer给出慢光的理论解释：给出慢光的理论解释：暗态极化子暗态极化子 PRL 84, 5094 (2002); PRA 65, 022314 (2002)

32、Subluminal, Trapped Light and Superluminal 实验上里程碑的工作：实验上里程碑的工作：17m/s Trapping and Manipulating Photon StatesWhen a light pulse enters the medium, it exhibits a spatial compression, while photons are converted into atomic (spin) excitation. The slow photonic and spin waves then propagate together. Th

33、e lossless propagation is limited by the spreading of the pulses due to the narrow bandwidth of the transparency window.Spectrum of transmission andrefractive index corresponding to EIT.如果通过控制控制场的强度使得如果通过控制控制场的强度使得混合角从混合角从0变到变到/2，群速度就从群速度就从光速光速c变到变到0。在这种情况下，。在这种情况下，暗态极化子就由纯光子演变为纯原暗态极化子就由纯光子演变为纯原子子，光

34、脉冲就停止，其能量以原子拉曼相干的形式存储于介质中，光脉冲就停止，其能量以原子拉曼相干的形式存储于介质中，即即实现光存储实现光存储。把混合角还回到。把混合角还回到0时，暗态极化子就由纯原子变为时，暗态极化子就由纯原子变为纯光子，存储在介质中的能量返还给光脉冲，即纯光子，存储在介质中的能量返还给光脉冲，即实现光释放实现光释放。 Storage and Release of Quantum Information ),)(sin),()(cos13tzNttzEtDark-state polaritons将光脉冲的群速度降低，甚至将光脉冲的群速度降低，甚至实现光停止时基于实现光停止时基于EIT窗口

35、内的窗口内的正常色散，正常色散，利用反常色散则可利用反常色散则可实现超光速实现超光速。右图是王力军在。右图是王力军在铯原子中利用两个驱动场在两铯原子中利用两个驱动场在两个靠得比较近的增益峰之间的个靠得比较近的增益峰之间的反常色散，观测到超光速。发反常色散，观测到超光速。发现光脉冲的群速度可以超过现光脉冲的群速度可以超过c，甚至能够变为负值，而且实验甚至能够变为负值，而且实验观测到的群速度折射率为观测到的群速度折射率为 。 Superluminal Superluminal Propagation in Optical Fibers EIT in Quantum NanostructuresPh

36、illips等人在等人在GaAs量子阱中利用库仑相互作用诱导的量子阱中利用库仑相互作用诱导的两个自旋两个自旋相反激子之间的相干相反激子之间的相干观察到电磁诱导透明现象观察到电磁诱导透明现象 EIT in Quantum Nanostructures1ps EIT with resonant nuclei in a cavityThe quadratic electro-optic effectThe quadratic electro-optic effect（二次光电效应）（二次光电效应）, , is a is a change in the refractive index of a ma

37、terial in change in the refractive index of a material in response to an applied electric field. The induced response to an applied electric field. The induced index change is directly proportional to the index change is directly proportional to the square square of of the electric field .the electr

38、ic field .The Kerr electro-optic effecThe optical Kerr effectt: self-focusing, self-phase modulation and modulational instability利用自相位调制平衡群速度色散或光束的衍射效应产生时间和空间光孤子利用自相位调制平衡群速度色散或光束的衍射效应产生时间和空间光孤子交叉相位调制获得交叉相位调制获得的非线性相移，实现的非线性相移，实现量子过程的非破坏测量、全光开关量子过程的非破坏测量、全光开关如果能够在如果能够在单光子水平单光子水平实现实现相移，则不仅可以用来实现相移，则不仅可

39、以用来实现单光子全光开关单光子全光开关，量子相位门量子相位门，还可以实现，还可以实现双比特量子逻辑门双比特量子逻辑门。Applications:3. 3. KeKerr nonlinearity Effectrr nonlinearity Effect（克尔非线性效应）克尔非线性效应）由于由于基态基态|1|1和亚稳态和亚稳态|3|3之间的原子相干之间的原子相干，对比二能，对比二能级原子系统，在共振位置附近克尔非线性系数得到了级原子系统，在共振位置附近克尔非线性系数得到了极大的提高。极大的提高。 The Enhancement of Kerr nonlinearity with EIT原子的精确

40、位置测量原子的精确位置测量一直以来都是大家都比较感兴趣的问题，它一直以来都是大家都比较感兴趣的问题，它在很多方面有重要的应用，比如说激光冷却（在很多方面有重要的应用，比如说激光冷却（laser cooling），），玻色爱因斯坦凝聚（玻色爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein condensation）和原子平版）和原子平版印刷术（印刷术（atom lithography）等。）等。人们通常采用人们通常采用原子与驻波光场相互作用的方案原子与驻波光场相互作用的方案，如何用驻波光场，如何用驻波光场去实现对单原子的局域化呢？一直以来人们非常关注，而且提出了很去实现对单原子的局域化呢？一直以来人们非

41、常关注，而且提出了很多可行性方案多可行性方案:比如在实验上当运动原子通过驻波场后，通过比如在实验上当运动原子通过驻波场后，通过测量驻波场的相移测量驻波场的相移或者或者原子偶极矩（原子偶极矩（atom dipole）的相移）的相移来间接获得原子的位置信息。来间接获得原子的位置信息。M.S. Zubairy等人提出了等人提出了用用Ramsey 干涉仪实现原子局域化干涉仪实现原子局域化的方的方案案，他们研究发现利用相干态腔场在获取原子精确位置信息方面要比，他们研究发现利用相干态腔场在获取原子精确位置信息方面要比采用经典光场具有更高的分辨率。采用经典光场具有更高的分辨率。再者，比如再者，比如利用带有原

42、子共振频率的随空间变化的原子势与原子利用带有原子共振频率的随空间变化的原子势与原子位置信息的关联测定原子的位置位置信息的关联测定原子的位置。4. 4. Atom LocalizationAtom Localization)sin()(kxGxg Localizing an atom via quantum interference5. P5. Propagation of Ultrashort Laser Pulsesropagation of Ultrashort Laser Pulses慢变振幅近似与旋转波近似下的慢变振幅近似与旋转波近似下的Maxwell-Bloch方程方程vcNdEcE

43、ptxz210 vcNdtczEp2)1(0 vuut 2wuvvt02 vwwwt001)( 光与二能级原子作用的模型光与二能级原子作用的模型abab dttzEdAtt),(lim0AdzdAsin2 )0(20gncNdp Area Theorem （面积定理）（面积定理） 当形状为当形状为双曲正割双曲正割 、面积、面积为为2 的激光脉冲通过共振吸的激光脉冲通过共振吸收的二能级介质时，脉冲形收的二能级介质时，脉冲形状及能量均不发生变化，介状及能量均不发生变化，介质好像是透明的。这种现象质好像是透明的。这种现象就称为就称为自感应透明自感应透明(Self-Induced Transparen

44、cy），），记为记为SIT。脉冲的展宽与压缩脉冲的展宽与压缩2 脉冲自感应透明脉冲自感应透明脉冲的分裂脉冲的分裂 Area Theorem （面积定理）（面积定理）周期量级激光脉冲的电场可以表示为：周期量级激光脉冲的电场可以表示为：E (t) = E0(t) sin(t + )其中，其中，E0(t) 表示电场的振幅，表示电场的振幅，表示载波包络相位表示载波包络相位（Carrier Envelope Phase，简称，简称CEP，也叫做绝对相，也叫做绝对相位，位， absolute phase）。从公式可以看出，）。从公式可以看出，CEP的变化的变化导致周期量级激光脉冲电场的强度时间上发生显著变

45、化，导致周期量级激光脉冲电场的强度时间上发生显著变化，因此，一切受电场诱导的物理过程都依赖于因此，一切受电场诱导的物理过程都依赖于CEP的取值。的取值。 Few-cycle Laser Pulse 周期量级激光脉冲的电场随时间的变化依赖于初始位相周期量级激光脉冲的电场随时间的变化依赖于初始位相: : (a)0; (b) 0.5 ; (c) 。(a)、(c)中电场的最大值指向相反的方向，而中电场的最大值指向相反的方向，而(b)(b)中两中两个方向的电场最大值相同。这为个方向的电场最大值相同。这为微观电子波包的宏观操控提供了一微观电子波包的宏观操控提供了一个强有力的有效手段。个强有力的有效手段。

46、Few-cycle Laser Pulse 当激光脉冲的脉宽接近周期量级时，当激光脉冲的脉宽接近周期量级时，旋转波近似旋转波近似和慢变振幅近似和慢变振幅近似失效！失效！Ziolkowski et al, PRA52, 3082(1995)Hughes, PRL81, 3363(1998)Kalosha, Herrmann, PRL83, 544(1999)Mucke et al, PRL87, 057401(2001) The propagation of Few-cycle Laser Pulse 周期量级超短激光脉冲与二能级介质相互作用可以用全波周期量级超短激光脉冲与二能级介质相互作用可以

47、用全波Maxwell-Bloch方程来描述（不考虑旋转波近似和慢变振幅近似）方程来描述（不考虑旋转波近似和慢变振幅近似）xzytEH01xtyzxtPHE0011vuut02wEduvvxt202vEdwwwxt2)(01(1) The full wave Maxwell-Bloch Equation2超快脉冲在二能级原子系统中自感应透明传播；超快脉冲在二能级原子系统中自感应透明传播；二能级介质能够实现一次完整的二能级介质能够实现一次完整的Rabi振荡；振荡；电场的时间导数项对介质的响应有本质影响。电场的时间导数项对介质的响应有本质影响。(a) 2 脉冲的传播脉冲的传播(b) 电场和布局反转电

48、场和布局反转 The interaction of ultrashort pulse with two-level atoms0100200300400-0.4-0.20.00.20.4(b) 1.1 pulse17m34mz=0m0 (solid line), (dashed line)t (fs)(b) 2.9脉冲演化脉冲演化0100200300400-0.8-0.40.00.40.8(a) 2.9 pulse34m17mz=0m0 (solid line), (dashed line) t (fs)(a) 1.1脉冲演化脉冲演化短距离传播时短距离传播时，面积定理仍然可以预测周期量级脉冲的

49、面积演化情况；，面积定理仍然可以预测周期量级脉冲的面积演化情况；与长脉冲传播情况不同，周期量级超短激光脉冲在二能级介质中通过与长脉冲传播情况不同，周期量级超短激光脉冲在二能级介质中通过脉脉冲分裂冲分裂调整面积，而不是靠脉冲的展宽与压缩；调整面积，而不是靠脉冲的展宽与压缩；此外，在脉冲面积减小时，出现了此外，在脉冲面积减小时，出现了负的脉冲面积负的脉冲面积。 The Area Theorem of few-cycle laser pulse大面积周期量级大面积周期量级超短超短脉冲在二能脉冲在二能级系统中传播时，级系统中传播时，会发生载波拉比会发生载波拉比振荡，甚至有高振荡，甚至有高频成分产生，频成分产生，面面积定理失效积定理失效。 The Carrier Wave Rabi Flopping6. 6. Vacuum Induced CoherenceVacuum Induced CoherenceHigh densityLow densityCollective Radiation EffectsCollective Radiation Effects SuperfluorescenceFor the independent atomsFor