相干原子介质中非线性效应与量子效应的研究

1、相干原子介质中非线性效应与量子效应的研究【摘要】：光与原子相互作用是物理学的一个重要研究领域。利用相干光场与多能级原子作用过程中的量子干涉效应，可以显著地改变原子介质的光学特性，产生许多有趣且重要的现象。作为其中的典型代表，电磁感应透明(EIT)效应受到了人们的普遍重视，并且得到了广泛的研究。本文回顾了EIT效应研究的发展过程，以及利用EIT介质色散增强，吸收减弱，高非线性折射率的特性，在非线性效应和量子效应方面开展的一系列研究工作。主要介绍了我们利用EIT介质进行的光脉冲减速，光量子存储与双通道释放，可控光致旋光效应，冷原子中的多暗态现象，冷原子磁精细能级的态制备，以及原子磁精细能级布居情况

2、的全光学测量等实验与理论工作。完成的工作主要包括以下几个方面：1)设计制作了共焦F-P腔反馈半导体激光器和光栅反馈半导体激光器。进行光与原子相互作用研究需要高质量的光源。我们根据不同实验对光源的不同要求，设计制作了波长对应于Rb原子D1线和D2线的共焦F-P腔反馈半导体激光器和光栅反馈半导体激光器。通过共焦F-P腔反馈，半导体激光器线宽由自由运转时的10MHz压窄到45KHz；采用电流同步扫描技术，频率连续扫描范围可以达到3.4GHz。这种激光器主要应用在对激光线宽要求较高的实验中。采用Littrow式光栅反馈，将激光器线宽压窄到4MHz左右；采用电流同步扫描技术，频率连续扫描范围可以达到9G

3、Hz。这种激光器主要应用在对激光线宽要求不高，但需要大范围频率连续调谐的实验中。2)电磁感应透明及其与实验参量的关系。以A型三能级原子系统为例，用半经典理论给出了EIT效应的理论模型，分析了EIT介质的吸收和色散特性。用自制的不同线宽半导体激光器以及不同的Rb原子气室(普通Rb泡以及充缓冲气体Rb泡)，实验研究了EIT窗口宽度与各个实验参量间的关系。实验证明在耦合光较弱情况下，EIT窗口宽度与耦合光拉比频率成正比；减小耦合光和探针光的激光线宽可以压窄EIT窗口的宽度；只有当耦合光与探针光的线宽与原子基态间无辐射跃迁速率31可比拟时，充缓冲气体对EIT窗口的压窄效果才能体现出来。这些结论对于更好

4、的理解不同参量在原子相干过程中的作用，更好的认识EIT效应的物理实质，以及更好的利用EIT效应有着非常重要的作用。3)在EIT介质中实现光脉冲减速及光量子存储。在基态简并的型三能级原子介质中，观察到了由EIT效应导致的光减速现象，实验测得光脉冲的群速度被减慢到8000ms。研究了经过EIT介质的光脉冲延迟时间对系统单光子频率失谐量的依赖关系。结果表明，由于多普勒展宽效应的存在，在单光子频率失谐±600MHz范围内，光减速现象较为显著。这一研究结果为利用单光子频率失谐控制光的群速度提供了理论与实验参考。在实现光脉冲减速的基础上，通过绝热地关断和开启耦合光，实验实现了EIT介质中的光量子

5、存储与释放，存储时间可以达到100gs。在双型四能级原子系统中，采用不同波长(795nm和780nm)的读控制光，使存储在EIT介质中的光量子信息以不同波长光脉冲形式释放出来。利用光栅可以将不同波长的释放光脉冲在空间上分离，从而实现存储光量子信息的可控双通道释放。这一结果用来实现高效的全光学路由器，多通道光开关等。4)由非对称EIT系统导致的光致旋光效应。在多能级EIT系统中，通过选择特定偏振的耦合光，可以破坏原子介质对探针光左旋和右旋圆偏振分量折射率的对称性，从而导致探针光偏振面的旋转。提出了一种新的测量方法，可以扣除吸收对转角的影响，准确测出由折射率变化引起的探针光偏振面转角。由于探针光两

6、分量均与耦合光形成EIT，因此可以在与原子近共振频率处，用较低功率的耦合光实现探针光偏振面的显著旋转，且二向色性小。实验中耦合光功率15mW时，可以使探针光偏振面旋转45°。转角的大小可以由探针光频率失谐，耦合光功率，以及气室温度来控制。这一光致旋光效应方案可以用来实现全光开关，原子波片等光量子器件。5)冷原子介质中的多暗态现象。建立了用于冷却与俘获(87)Rb原子的磁光阱装置。分别采用收集荧光法和短程飞行时间法测量了俘获冷原子的数目和温度。磁光阱中俘获冷原子的数目为109个，密度为10(11)cm(-3)，等效温度约为200E。基于Labview6.0平台和PCI6713数据采集卡

7、开发了6通道时序信号发生器，实现了对冷原子系统的灵活控制。实验演示并理论解释了在多能级(87)Rb冷原子介质中的多暗态效应。这一多暗态效应是由于耦合光在不同Zeeman子能级间不同的跃迁强度而造成的，且只能在冷原子介质中实现。这种多暗态系统可以用来实现多通道光通讯和多通道的量子信息处理。6)冷原子磁精细能级的态制备以及原子态布居情况测量。回顾了对原子磁精细能级(Zeeman子能级)进行态制备和布居情况测量的各种方法。指出现有测量方法在用于量子光学和量子信息实验研究的磁光阱装置上应用的局限性。提出并实验演示了一种简单的对冷原子磁精细能级进行态制备以及测量原子在各磁精细能级上布居情况的全光学方法。

8、通过选择耦合光和泵浦光的不同偏振组合，原子可以被高纯度地制备到任意一个需要的Zeeman子能级上。原子各磁精细能级的布居情况可以非常简单且直观地用一束弱的圆偏振探针光测定。这一新的实验技术可以应用到许多以冷原子为实验介质的量子光学和量子信息实验中。其中创新性的工作包括：在利用热原子EIT介质进行光减速的实验中，研究了经过EIT介质的光脉冲延迟时间对系统单光子频率失谐量的依赖关系。在利用EIT介质进行光量子存储与释放的实验中，首次在EIT条件下实现存储光量子信息的双波长释放，并利用光栅将不同波长的释放光脉冲在空间上分开。实现了存储光量子信息的可控双通道释放。首次提出并实验证明在多能级原子系统中，

9、利用特定偏振耦合光导致的非对称EIT系统，可以实现光致旋光效应。该系统中，探针光的两个圆偏振分量均与耦合光形成EIT，使得我们可以在原子近共振频率处，利用较小的耦合光功率实现显著的探针光偏振面转角，且系统二向色性小。在实验中，利用15mW的耦合光就可以导致探针光偏振面旋转45°。转角的大小可以由探针光频率失谐，耦合光功率，以及气室温度来灵活控制。首次提出利用两对探测器联合测量方法，可以扣除吸收对转角的影响，准确测出由折射率变化引起的探针光偏振面旋转角。利用原子不同Zeeman子能级间跃迁强度的不同，首次在冷原子介质中观测到了热原子介质中观察不到的多暗态现象，并利用半经典理论进行拟合。

10、实验实现了原子磁精细能级态制备的全光学方法。通过泵浦光和耦合光的不同偏振组合，可以将原子高纯度地制备到基态的任意一个磁精细能级上。首次提出并实验演示了一种测量原子磁精细能级布居情况的直观的全光学方法。【关键词】：电磁感应透明光减速光量子存储光致旋光效应多暗态【学位授予单位】：山西大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2007【分类号】：O431.2;O437【目录】：目录5-11摘要11-14ABSTRACT14-19第一章引言19-291.1电磁感应透明效应(EIT)19-211.2EIT的应用21-281.2.1光群速减慢及光量子存储21-241.2.2增强的非线性效应24-261.2.

11、3无反转激光26-271.2.4其他方面的应用27-281.3本文的主要内容28-29第二章光源的准备29-412.1半导体激光二极管29-302.2共焦F-P腔(CFP腔)反馈半导体激光器30-362.2.1CFP腔反馈原理30-312.2.2实验装置及结果31-352.2.3电流同步扫描技术35-362.3光栅反馈半导体激光器36-402.4小结40-41第三章电磁感应透明及其与实验参量的关系41-513.1电磁感应透明的理论模型41-453.2EIT窗口宽度与实验参量的关系45-503.3小结50-51第四章在EIT介质中实现光脉冲减速和光量子存储51-684.1EIT导致的光群速减慢效

12、应51-584.1.1EIT效应实现光减速的原理51-524.1.2实验的能级结构选择52-544.1.3光减速现象的实验观测54-564.1.4光延迟与单光子频率失谐的关系56-574.1.5光延迟与气室温度的关系57-584.2在原子气室中进行光量子存储58-664.2.1EIT过程中的暗态极子59-604.2.2存储光量子信息的双通道释放实验装置60-624.2.3存储光量子信息的双通道释放实验结果62-664.3双通道光量子存储66-674.4小结67-68第五章由非对称EIT系统导致的光致旋光效应68-895.1背景介绍68-745.1.1法拉第磁致旋光效应69-705.1.2磁光效

13、应70-715.1.3光致旋光效应71-745.2我们的方案74-805.2.1基本思想74-755.2.2理论分析75-805.3实验装置及测量方法80-835.3.1实验装置80-815.3.2测量方法81-835.4实验结果83-885.4.1转角测量结果83-855.4.2实验结果的理论拟合85-885.5小结88-89第六章冷原子介质(87)Rb)中的多暗态现象89-1046.1(87)Rb原子的冷却与俘获以及冷原子参数测量89-966.1.1(87)Rb原子的冷却与俘获89-916.1.2冷原子数目及密度的测定原理和结果91-926.1.3冷原子温度测量的原理和实验结果92-946.1.4时序控制94-966.2冷原子介质中的多暗态现象96-1036.2.1冷原子中的多暗态的实验观测97-996.2.2多暗态现象的理论解释99-1036.3小结103-104第七章冷原子磁精细能级的态制备以及原子态布居情况测量104-1167.1原子磁精细能级态制备以及态布居情况测量的意义104-1077.2原子磁精细能级的态制