基于原子相干效應(yīng)的相干反射的研究.pdf

1、光與原子相互作用，作為量子光學(xué)中一個(gè)非常重要的研究?jī)?nèi)容，在近幾十年得到了蓬勃的發(fā)展，而基于相干光場(chǎng)與原子介質(zhì)相互作用的產(chǎn)物，原子相干效應(yīng)更是受到人們的廣泛關(guān)注。原子相干總是伴隨著量子干涉，在此基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了許多新奇有趣的量子現(xiàn)象。
　　本文基于原子相干，回顧了電磁誘導(dǎo)透明(EIT)效應(yīng)，介紹了近十幾年人們對(duì)基于原子非線(xiàn)性相干效應(yīng)的四波混頻技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向，簡(jiǎn)單介紹了電磁誘導(dǎo)吸收光柵這一特殊的四波混頻過(guò)程。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介

2、紹了我們實(shí)驗(yàn)小組在基于原子相干效應(yīng)方面開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)和理論研究工作，主要包括:雙色耦合場(chǎng)作用于EIT系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程的理論計(jì)算，駐波耦合場(chǎng)作用于不同原子能級(jí)上的相干輻射的實(shí)驗(yàn)研究及理論分析;在原子氣體中，首次提出了在相位失配情況下，反常色散補(bǔ)償相位失配的理論，詳細(xì)分析了四光子相互作用過(guò)程;更進(jìn)一步地，實(shí)驗(yàn)上研究了在不同簡(jiǎn)并二能級(jí)系統(tǒng)中（Fg＞Fe，F(xiàn)g=Fe和Fg＜Fe），實(shí)現(xiàn)相干反射的條件。具體內(nèi)容如下:
　　1)從理論上研究了雙色

3、耦合場(chǎng)作用于Λ型EIT系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，給出了原子與探針場(chǎng)作用的密度算符的通解形式。在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)討論了特殊情況下，即在駐波耦合場(chǎng)條件下，原子介質(zhì)對(duì)探針場(chǎng)的吸收和色散特性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)只有向前耦合場(chǎng)作用時(shí)，原子對(duì)探針場(chǎng)的吸收很弱，色散特性為正常色散，即典型的EIT現(xiàn)象;而加入向后耦合場(chǎng)后，原子對(duì)探針場(chǎng)的吸收增強(qiáng)，色散由正常色散變?yōu)榉闯Ｉ?。由于原子?duì)探針場(chǎng)產(chǎn)生吸收，導(dǎo)致在此過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)高階非線(xiàn)性相干效應(yīng)（多波混頻），從而產(chǎn)生新的光場(chǎng)。<

4、br>　　2)在實(shí)驗(yàn)上，觀(guān)察了當(dāng)向后耦合場(chǎng)從無(wú)到有時(shí)，探針場(chǎng)由透明向吸收增強(qiáng)的轉(zhuǎn)變過(guò)程，證實(shí)了理論的分析。研究了在三能級(jí)銫原子氣體系統(tǒng)中，當(dāng)作用光場(chǎng)不滿(mǎn)足相位匹配條件（或Bragg反射條件）的情況下，即wc＞wp，實(shí)驗(yàn)上仍然獲得了高效率的相干反射場(chǎng)，并在理論上首次提出反常色散補(bǔ)償相位失配的理論，很好地解釋了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
　　3)為了進(jìn)一步驗(yàn)證理論的適用性，依然在Λ型三能級(jí)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)換耦合光場(chǎng)和探針場(chǎng)的作用能級(jí)，即wc＜wp，實(shí)驗(yàn)研究

5、了在相位匹配角度（θ0=0.42°）下的相干反射情況，并測(cè)量了輻射場(chǎng)隨探針場(chǎng)與耦合場(chǎng)夾角的變化關(guān)系，分別討論了在相位匹配和相位失配兩種情況下的四波混頻過(guò)程，即四光子相互作用過(guò)程，而色散補(bǔ)償理論同樣很好地詮釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并且在較寬的耦合場(chǎng)頻率失諧范圍內(nèi)，都能得到效率較高的輻射信號(hào)，這為實(shí)現(xiàn)多通道量子信息處理提供了更多選擇。
　　4)在實(shí)驗(yàn)和理論上研究了在簡(jiǎn)并二能級(jí)系統(tǒng)中（wc=wp），不同塞曼子能級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)（Fg＞Fe，Eg=Fe和F

6、g＜Fe）的相干反射情況，提出對(duì)于簡(jiǎn)并二能級(jí)原子系統(tǒng)，只有在相干布居俘獲條件下，基態(tài)子能級(jí)之間形成穩(wěn)定的相干性，才能產(chǎn)生相干反射信號(hào)，并比較了光場(chǎng)頻率在雙光子失諧和共振下的相干輻射情況，進(jìn)一步擴(kuò)展了基于原子非線(xiàn)性效應(yīng)的相干輻射的應(yīng)用范圍。
　　其中創(chuàng)新性的工作包括:
　?、?在熱原子系統(tǒng)中，當(dāng)耦合場(chǎng)和探針場(chǎng)頻率不滿(mǎn)足相位匹配條件（或Bragg反射條件）時(shí)，實(shí)驗(yàn)上依然獲得了高效率的相干反射信號(hào)，研究了在不同駐波條件下，相干反射

7、場(chǎng)隨探針場(chǎng)頻率的變化情況;理論上，提出了反常色散補(bǔ)償相位失配的理論。
　?、?基于色散補(bǔ)償理論，比較了耦合場(chǎng)和探針場(chǎng)頻率在滿(mǎn)足和不滿(mǎn)足相位匹配條件下，相干輻射信號(hào)的變化規(guī)律;實(shí)驗(yàn)研究了向前、向后耦合場(chǎng)在相干輻射過(guò)程中光強(qiáng)的變化，分析了四光子相互作用物理機(jī)制，即在相互作用過(guò)程中，原子吸收一個(gè)探針光子和一個(gè)反向傳播的耦合光子，同時(shí)又輻射一個(gè)同向傳播的耦合光子和一個(gè)反向傳播的信號(hào)光子（四波混頻場(chǎng)光子）。在理論擬合中，提出并應(yīng)用了有效長(zhǎng)度