开放的Λ型三能级系统无反转激光及光学性质相干控制的理论研究

摘要

物质的光学性质和光学过程的相干控制的研究是当前国际上光学研究中重要而活跃的前沿领域之一。相干控制的研究不仅有重要的理论意义，而且在量子光学、非线性光学、量子信息和光通讯等领域内都有重要的应用价值。原子相干现象和量子干涉效应在很多方面都具有潜在的应用价值，而在众多的原子相干和量子干涉现象中，无粒子数反转激光(LasingWithoutInversion简称LWI)引起了人们更大的兴趣和特别的重视。作为一种产生激光的新型机制，应用无粒子数反转激光可以在应用传统激光理论和方法很难甚至不可能产生激光的高频光谱区(X-射线甚至γ-射线区)产生激光，因此无粒子数反转激光的研究不仅具有重要的理论价值而且具有广阔的应用前景。 本论文在前人研究工作的基础上，对开放的∧型三能级原子系统无反转激光和光学性质相干控制的理论进行了研究，全文内容共分五章：第一章为综述，阐明了无粒子数反转激光和光学性质相干控制的研究意义、无粒子数反转激光产生的基本原理，介绍了当前这一重要课题的研究现状和研究内容。 第二章对开放的共振∧型系统进行了非线性动力学研究。通过对系统的密度矩阵运动方程组零级稳态解失稳性的研究发现，对于开放的共振∧型系统既能通过Hopf分岔产生自脉动LWI输出，又能通过Pitchfork分岔产生连续波LWI输出，这与封闭的∧型系统在共振情况下只能通过Pitchfork分岔产生连续波LWI输出的结论大不相同。另外讨论了系统增益系数、腔的损耗系数、粒子注入速率比和粒子退出速率等系统参量对可导致LWI产生的两类失稳的影响。 第三章在第二章的基础上，利用数值计算结果分析了开放的共振∧型系统中通过Pitchfork分岔产生连续波LWI输出和通过Hopf分岔产生自脉动LWI输出及相应的各能级粒子数布居的时间演化规律，我们发现两类时间演化存在着显著差别，另外我们分别讨论了系统增益系数、腔的损耗系数、粒子注入速率比和粒了退出速率等系统参量对时间演化规律的影响。 第四章研究了在具有自发辐射诱导相干性的开放的∧型功能级系统中，探测场和驱动场之间的相对位相对探洲场的增益、色散和粒子数布局的控制作用。结果表明，通过调节相对位相的取值，可以实现粒子数反转激光和LWI之间的转换，获得无吸收高折射率和电磁感应透明，明显改变无反转增益和色散的取值和频谱区。我们还发现当驱动场共振时，如果探测场的色散对应的相对位相比增益的落后π/2，则色散和增益关于探测场失谐的函数曲线的形状是非常相似的，当驱动场非共振时这个相似性消失；增益、色散和粒子数布居都是相对位相的周期函数，调制周期为2π；自发辐射诱导相干性对无反转增益和色散的贡献比动力学相干性的贡献大得多。 第五章研究了探测光脉冲在考虑了自发辐射诱导相干(SGC)效应的开放的∧型三能级原子系统中的传播，当驱动场为强场，并与弱探测场频率不相同时，我们分别讨论了探测场的失谐、原子的退出速率和注入速率、探测场和驱动场的Rabi频率、非相干泵浦速率以及探测场和驱动场之间的相对相位等参量对探测场增益(吸收)、色散和群速度的影响。我们发现通过改变探测场的失谐或者其Rabi频率取值的大小可以导致探测光脉冲群速度从反常超慢到反常超快的转换。探测光脉冲群速度的绝对值随着驱动场Rabi频率取值的增大而增大。通过调节探测场和驱动场之间的相对位相和原子退出注入速率取值的大小，可以获得探测光脉冲群速度取值的较大调节范围，当不考虑非相干泵浦时，群速度的性质不发生变化；但是当考虑非相干泵浦时，调节相对位相或者非相干泵浦速率的取值，可以实现探测光脉冲群速度在反常超慢和超快之间转换。当不考虑非相干泵浦速率时，不管是超慢传播还是超快传播，探测光脉冲总是表现为吸收的；当考虑非相干泵浦速率时，探测光脉冲反常超慢传播时，伴随着探测场是吸收的；探测光脉冲超快传播时，伴随着探测场是增益的。探测光脉冲群速度的变化主要来源于色散的斜率。

目录

文摘

英文文摘

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第一章综述

第二章开放的共振∧型系统的非线性动力学研究

第三章开放的共振∧型系统无反转激光场的时间演化

第四章具有自发辐射诱导相干的开放∧型系统的相位控制

第五章开放的∧型三能级系统中探测光脉冲群速度的研究

第六章结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢