Doppler展寬介質(zhì)中慢光傳播特性研究.pdf

1、電磁誘導(dǎo)透明(electromagnetically induced transparency，簡(jiǎn)稱EIT)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著人們對(duì)主動(dòng)光學(xué)介質(zhì)的研究與應(yīng)用進(jìn)入了新時(shí)代。雖然在此之前人們?cè)缫岩庾R(shí)到利用主動(dòng)介質(zhì)可以顯著增強(qiáng)介質(zhì)的光學(xué)響應(yīng)，但由于在主動(dòng)介質(zhì)中光與物質(zhì)(原子、分子等)發(fā)生共振相互作用，導(dǎo)致介質(zhì)對(duì)光的強(qiáng)烈吸收，所以人們一直認(rèn)為利用主動(dòng)光學(xué)介質(zhì)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的光學(xué)響應(yīng)是不切實(shí)際的。EIT現(xiàn)象的基本原理是通過(guò)引入外加控制光場(chǎng)相干地制備多能級(jí)

2、原子、分子等的量子態(tài)，以實(shí)現(xiàn)探測(cè)光場(chǎng)激發(fā)路徑間的量子相消干涉，從而大大消除介質(zhì)對(duì)探測(cè)光場(chǎng)的吸收；同時(shí)，由于共振相互作用介質(zhì)對(duì)探測(cè)光場(chǎng)的線性和非線性響應(yīng)顯著增強(qiáng)。EIT所具有的獨(dú)特性質(zhì)為人們調(diào)控介質(zhì)的線性和非線性光學(xué)效應(yīng)開辟了嶄新的途徑：(ⅰ).利用EIT可主動(dòng)調(diào)控光場(chǎng)的群速度，使其減慢甚至停止，這在制作新型光學(xué)延遲器件、實(shí)現(xiàn)量子存儲(chǔ)、設(shè)計(jì)量子通信器件等方面有重要的應(yīng)用；(ⅱ).利用EIT得到的顯著增強(qiáng)的非線性光學(xué)效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)少光子多波混

3、頻、量子相位門、量子無(wú)損測(cè)量、弱光超慢光孤子等，從而為研究弱光強(qiáng)、少光子數(shù)甚至單光子水平下非線性光學(xué)效應(yīng)開創(chuàng)了新方向。EIT的研究展示了強(qiáng)大的生命力和重要的應(yīng)用前景，它給人們帶來(lái)的驚喜與收獲比當(dāng)初的預(yù)期要多得多。
　　 盡管EIT理論及其應(yīng)用的探索已有二十余年，但有關(guān)研究仍然十分活躍，發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。當(dāng)前，如何具體實(shí)現(xiàn)基于EIT效應(yīng)的各種新型光學(xué)器件引起了人們極大的關(guān)注。但是，從現(xiàn)有的情況來(lái)看，人們對(duì)現(xiàn)實(shí)的熱原子系統(tǒng)中的EIT、受

4、限系統(tǒng)(微型波導(dǎo)、微型腔等)中的EIT等具有較強(qiáng)應(yīng)用背景的研究還不多或不夠深入；許多(特別是具有重要實(shí)際應(yīng)用背景)的課題需要從理論上開展前期的探索性研究，有些原有的理論處理也需要進(jìn)一步發(fā)展與完善。EIT研究的一個(gè)重要課題是在有關(guān)介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定傳播的光孤子及其在光與量子信息處理和傳輸方面的應(yīng)用。但由于光孤子實(shí)現(xiàn)條件較為苛刻，以往的理論方案對(duì)光孤子可操控性的研究尚不具體，有待在理論上開展進(jìn)一步的探索。本文基于光和介質(zhì)相互作用的半經(jīng)典理論，通

5、過(guò)引入和發(fā)展非線性波動(dòng)理論中的奇異攝動(dòng)理論，特別是多重尺度方法，對(duì)熱原子系統(tǒng)和微型波導(dǎo)內(nèi)的EIT系統(tǒng)中光的線性和非線性傳播性質(zhì)進(jìn)行了深入和系統(tǒng)的研究；另外，對(duì)如何通過(guò)使用外加微波場(chǎng)來(lái)調(diào)節(jié)、優(yōu)化EIT介質(zhì)中超慢光孤子的傳播也進(jìn)行了深入的探索。本文的主要工作包括以下幾個(gè)方面：
　　 1.EIT條件下Doppler展寬介質(zhì)中的線性與非線性光傳播研究。我們從具有內(nèi)部自由度的Boltzmann方程出發(fā)，導(dǎo)出了熱原子系統(tǒng)所滿足的Maxwel

6、l-Bloch方程組，利用該方程組深入討論了體系的線性光學(xué)性質(zhì)。我們考慮了兩底能級(jí)的非相干粒子數(shù)交換效應(yīng)所帶來(lái)的后果。首先，通過(guò)對(duì)探測(cè)場(chǎng)譜線線寬的詳細(xì)嚴(yán)格計(jì)算，給出了體系中發(fā)生EIT的新判據(jù)，即|Ωc|2γ31>>2γ21△ω2D，此處Ωc是控制場(chǎng)的半Rabi頻率，△ωD是Doppler寬度，γjl是原子態(tài)|j>與|l>之間的衰變率。在此條件下非相干粒子數(shù)交換效應(yīng)可以忽略，而退相(dephasing)成為體系消相干的主要因素。研究表明，

7、以前國(guó)際上的幾個(gè)研究小組所給出的EIT產(chǎn)生條件或者不合理、或者是我們所得結(jié)果的特例，從而澄清了長(zhǎng)期以來(lái)的有關(guān)爭(zhēng)議。其次，進(jìn)一步發(fā)展了求解Maxwell-Bloch方程的奇異微擾理論，并由此對(duì)有非均勻展寬介質(zhì)中的Kerr非線性及弱非線性光波的傳播進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在Doppler展寬情況下體系的Kerr非線性效應(yīng)仍可得到很大的增強(qiáng)。另外，我們還探討了熱原子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的超慢光孤子的可能性，推導(dǎo)出探測(cè)光場(chǎng)所滿足的非線性包絡(luò)方程，得到了

8、孤子解；所得到的時(shí)間光孤子具有超慢的傳播速度和很低的產(chǎn)生功率。
　　 2.微型波導(dǎo)內(nèi)原子系統(tǒng)中的EIT現(xiàn)象與增強(qiáng)的非線性光學(xué)響應(yīng)研究。我們建立了分析受限系統(tǒng)中多原子體系光學(xué)性質(zhì)的理論處理方案；基于該方案對(duì)系統(tǒng)的線性和非線性光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了深入的理論分析。在有關(guān)系統(tǒng)線性光學(xué)性質(zhì)的討論中，我們分析了微型波導(dǎo)對(duì)光的有效光強(qiáng)的增強(qiáng)作用，并提出了在微型波導(dǎo)內(nèi)原子系統(tǒng)發(fā)生EIT現(xiàn)象的條件，即|Ωc|2》γ21γ31/e，此處e是表征波導(dǎo)對(duì)有效

9、光強(qiáng)度增強(qiáng)大小的數(shù)值因子。我們的結(jié)果顯示，兩底能級(jí)的非相干粒子數(shù)交換效應(yīng)使得EIT窗口深度較非受限體系更寬、更深。研究結(jié)果還顯示，當(dāng)入射光模式頻率與原子躍遷頻率相近時(shí)，系統(tǒng)的光學(xué)響應(yīng)對(duì)波導(dǎo)尺寸的變化非常敏感。在有關(guān)非線性光學(xué)性質(zhì)的討論中，我們的分析還表明，在線性響應(yīng)強(qiáng)度基本相同的情況下，微型波導(dǎo)內(nèi)EIT系統(tǒng)的非線性響應(yīng)較自由空間情形有顯著增強(qiáng)。
　　 3.外加微波場(chǎng)對(duì)EIT系統(tǒng)中弱光超慢光孤子的優(yōu)化和調(diào)控作用的研究。利用多重尺度

10、方法，我們導(dǎo)出了探測(cè)光脈沖包絡(luò)函數(shù)滿足的包含線性色散、高階色散和非線性效應(yīng)的高階非線性薛定諤方程，并通過(guò)使用孤子微擾理論分析了高階效應(yīng)和外加微波場(chǎng)對(duì)體系中光孤子的影響。對(duì)探測(cè)光線性傳播的分析表明，外加微波場(chǎng)不改變光場(chǎng)的線性傳播特性，但對(duì)系統(tǒng)貢獻(xiàn)一直流項(xiàng)，即ΩcΩm/d21，此處Ωm是微波場(chǎng)的半Rabi頻率。在有關(guān)探測(cè)光非線性傳播的分析中，研究結(jié)果表明該直流項(xiàng)對(duì)系統(tǒng)中超慢光孤子的傳播性質(zhì)有明顯的影響；通過(guò)調(diào)節(jié)外加微波場(chǎng)的強(qiáng)度，可對(duì)光孤子的