多能级原子系统中光脉冲的存储及其优化研究

多能级原子系统中光脉冲的存储及其优化研究原子、分子、量子点等量子发射体中的量子相干效应一直是原子分子光物理中倍受重视的研究课题。基于量子相干效应可实现许多有趣的物理现象,包括相干粒子数俘获、无反转激光、电磁感应光透明(Electromagneticallyinducedtransparency,简称EIT)、光脉冲的群速度减慢、介质的克尔非线性效应增强等。尽管有关工作已持续开展了近三十年,但时至今日人们的研究热情一直没有递减,新的研究结果仍然层出不穷。近年来,人们关注最多的是原子气体中的EIT现象。EIT的最简单模型是两个激光场(分别称为探测场与控制场)与Λ-型三能级原子的共振相互作用。其基本原理是利用控制场使原子的两个跃迁通道之间产生量子相消干涉,从而在探测场的吸收光谱线型中产生一个显著的透明窗口,由此可有效地抑制共振介质对探测场的吸收。在EIT诸多的应用中,光与量子信息的存储与读取的物理实现最为引人注目。各国的科学家们投入了大量的精力,对基于EIT的光脉冲存储与读取进行了深入的理论与实验探索,取得了不少有趣且重要的研究成果。然而,这些研究大多是围绕自由空间的原子气体和线性光脉冲的存储而展开的。体系中存在的各种退相干、色散、衍射等效应使光存储的效率与保真度难以提高,也不利于装置的小型化与实用化。为了解决这些具有挑战性的问题,必须深入研究EIT及其光存储的物理特性,拓广相关研究领域,提出可行的理论与实验方案。本论文以相关实验与理论研究成果为基础,首先提出了基于EIT在Kagome空芯光子晶体光纤中实现线性与非线性光脉冲的存储方案;其次基于EIT和四波混频技术,对双脉冲的光存储与读取进行了系统深入的研究,提出了优化存储效率和保真度的方法。另外,提出了基于主动拉曼增益(activeRamangain,简称ARG)获得快光存储的方案。具体来说,本论文的主要研究结果包括以下几个方面:1.充有原子气体的Kagome型空芯光子晶体光纤中光脉冲的存储。相比于空芯光子带隙光纤,Kagome型空芯光子晶体光纤有较大的孔径,从而可以充入较多的原子。该研究从解析与数值两个方面,深入系统地探讨了充入空芯Kagome光纤中的原子气体中的EIT特性、光孤子的形成、传播及其存储与读取等问题。研究表明,光子晶体光纤的横向囚禁效应可使光与原子的相互作用效应增强,进而导致EIT效应的增强;其次,该横向囚禁增强效应也可使体系的非线性克尔系数大为增强,从而在体系中很容易形成光孤子,其形成长度、传播速度、产生功率等都比自由空间小得多;更为重要的是,光纤的横向囚禁消除了体系的衍射效应,使所得超慢弱光孤子能在光纤中稳定地传输,且可通过适当关闭与开启控制光场,实现这些光孤子的高效存储与读取。2.基于原子四波混频的光脉冲的存储与优化。早前大多数关于光存储的研究都是围绕单个光脉冲进行的。该研究基于原子体系的四波混频和EIT,探讨了两个光脉冲的有效存储问题。首先,对光脉冲在双Λ-型四能级原子体系中的传播进行了仔细分析,得到了慢模和快模两种(集体)传播模式并研究了它们的物理特性;其次,用多种尺度法导出了两传播模式的非线性耦合包络方程,证明了在适当的条件下,体系的色散、自相位调制和交叉相位调制能够得到平衡,从而可形成耦合慢光孤子;然后,提出了仅激发体系的慢模来同时提高探测光脉冲和斯托克斯光脉冲存储质量的方案,证明了利用这样的存储方案可使两种光信号的存储与读取的效率与保真度得到优化。3.基于主动拉曼增益的快光介质中光脉冲的存储与读取。至今为止,几乎所有光脉冲存储的工作都是基于具有弱吸收的慢光介质而展开的。本研究提出了基于ARG的快光增益介质中光脉冲的存储与读取方案。所采用的系统为四能级原子气体,与三个激光场(分别称为泵浦光、信号光和控制光)发生共振相互作用。研究结果表明,该ARG体系具有量子干涉效应,可用来压制信号光场的增益,从而使体系支持稳定的快光脉冲传播;另外,在该ARG系统中也可实现光脉冲的存储和读取。本论文所得到的若干研究结