GaAs/AlGaAs量子阱中电磁诱导透明效应及其应用

摘要

电磁诱导透明(EIT)是指激光与介质相互作用过程中,通过激光诱导原子系统的不同能级跃迁通道之间产生量子干涉,从而光脉冲可无吸收地通过介质(即光脉冲的吸收谱出现透明窗口)。对于传统的激光与介质相互作用途径,若光场与介质非共振相互作用,需要强光激发才能得到强的非线性效应;对于光场与介质共振相互作用尽管可获得强的非线性效应,然而介质对其中传播的光产生强烈的吸收行为。EIT效应则可通过弱光激发共振介质实现增强的非线性效应,因而成为目前非线性光学领域的研究热点之一。研究表明利用EIT不仅可引起光脉冲的群速度减慢,而且可使介质的色散性质产生重大改变和非线性效应得到显著地增强。半导体量子阱具有实现EIT现象的能级结构且电偶极矩大,电子数密度高,体积小,易于操作与集成化等优势。因而对半导体量子阱中EIT的理论研究,不仅有助于理解半导体材料中量子相干的性质,而且能为光学器件的微小与集成化提供一定的参考价值。全文分为四章,主要结构如下:
　　第一章,首先介绍了EIT的基本理论和基础知识,着重介绍了基于EIT效应的慢光和光脉冲的存储,以及其增强的Kerr非线性效应。最后,对本文研究的主要方法和内容进行了简扼的介绍。
　　对于实际的GaAs/AlGaAs量子阱的导带能级间存在交叉耦合的纵波光学声子弛豫。因此,第二章研究了N型四能级GaAs/AlGaAs量子阱EIT介质中交叉耦合纵波光学声子弛豫对带间跃迁的线性光学吸收和光孤子性质的影响。结果表明,在线性范围,随着交叉耦合强度的增加,可实现近完美的双窗口EIT现象。在非线性范围,发现孤子的幅度随着交叉耦合系数呈抛物曲线变化且出现最大幅值。保持系统的三光子失谐不变时,发现孤子的群速度随着交叉耦合强度的增加呈逐渐减小的趋势。
　　由于GaAs/AlGaAs量子阱EIT介质不仅存在带间能级跃迁且在导带的子带能级间也存在跃迁。因此,第三章研究了耦合的非对称四能级的量子阱EIT介质中计及子带间跃迁下的双光子纠缠现象,并在此基础上构造出两比特控制量子相位门。通过分析体系的探测光和信号光场的非线性光学响应,发现群速度匹配条件下体系的交叉Kerr非线性显著地得到了加强,且产生π的非线性相移和增强的光子-光子纠缠相互作用。最后,根据当前的实验条件,设计了具体的实验方案来观察极化的两比特控制量子相位门的最大纠缠态。
　　最后一章,对全文的研究工作进行简要的总结。同时,对与EIT这一前沿研究领域有关的非线性光学效应的后续工作进行了展望。

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第1章 绪论

1.1 电磁诱导透明效应简介

1.2 基于EIT技术的光速的控制与光脉冲的存储

1.3 基于EIT技术的增强的Kerr非线性效应

1.4 本文的研究方法和主要结果

第2章 GaAs/AlGaAs量子阱中双窗口EIT和光孤子性质

2.1 引言

2.2 四能级N型量子阱模型与动力学演化方程

2.3 线性光学色散与吸收性质

2.4 光孤子性质

2.5 本章小结

第3章 GaAs/AlGaAs量子阱中Kerr非线性效应与控制量子相位门

3.1 引言

3.2 非对称四能级量子阱EIT介质模型

3.3 线性和Kerr非线性光学性质

3.4 群速度匹配与纠缠的两比特控制量子相位门

3.5 本章小结

第4章 总结与展望

4.1 全文工作总结

4.2 工作展望

参考文献

致谢

个人简历及攻读硕士学位期间完成的学术论文