基于原子腔系统的四波混频的实验研究

摘要

近些年，随着半导体激光器和冷原子技术的发展，基于原子非线性的腔-QED有了很大的发展。腔-QED在实验上能够实现原子与腔的强耦合，可以有效提高原子光学厚度，增强腔模与原子的相干相互作用，为有关原子相干的研究提供了一个崭新的平台。而在热原子腔耦合系统的实验研究中，大多数是在Λ型三能级原子耦合环形腔系统下进行的，腔模场（探测光）与单次穿过原子介质的耦合场同向传播，避免了多普勒效应。本文主要研究三能级原子与环形腔耦合系统下的四波混频效应。主要分为三个部分，具体内容如下:
　　第一部分对原子系统中几种量子效应的研究和应用及原子腔系统作了简单介绍。
　　第二部分研究了自由空间下光泵浦效应对EIT介质极化特性的影响。理论上，考虑到原子的多普勒效应，分析探针光与耦合光分别同向传播和对向传播时，原子介质表现出的极化特性，以及光泵浦效应对探针光极化特性的影响;实验上，在自由空间成功地验证了光泵浦效应对EIT介质吸收特性的影响。
　　第三部分从实验上研究了Λ型三能级热原子与环形腔系统下的四波混频效应。讨论了由四波混频效应产生的反射谱随耦合光频率失谐、功率、粒子数密度等实验参量的变化规律。实验证实在原子共振中心产生的反射四波混频信号无法起振，其对腔模失谐不敏感，这主要是由于在原子跃迁中心，耦合场的泵浦效应导致的强吸收现象，抑制了反射信号在腔内共振;而在单光子失谐条件下，由于热原子的多普勒效应，使得前、反向耦合场对同一频率的腔模探针场及反射信号的吸收减弱，从而使其在腔内起振，获得线宽压窄的内腔反射四波混频信号，这对于下一步开展基于内腔四波混频信号的关联特性测量以及基于内腔受激拉曼散射的研究提供了非常重要的实验保证和参考。
　　其中创新性的工作包括:
　　1、基于原子-腔耦合系统，实验上获得了线宽接近于激光自然线宽的内腔四波混频信号，并且实现了在空间上与探针光的大角度分离，该结果在频率可调的多通道量子信息存储、全光控制的量子逻辑门操作、全光开关及路由等领域具有潜在的应用价值。
　　2、理论上基于光泵浦引起的强吸收效应及热原子的多普勒频移效应对实验现象进行了定性的分析讨论，进一步丰富扩展了基于原子相干的四波混频效应及腔量子电动力学的应用范围。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 电磁感应透明(Electromagnetically induced transparency)

1．2 电磁诱导吸收(Electromagnetically induced absorption)

1．3 基于原子相干的四波混频过程

1．4 原子腔耦合系统

1．5 本文的主要工作

第二章 光泵浦效应对Λ型三能级EIT介质极化特性的影响

2．1 同／异向耦合场作用于EIT介质的动力学过程理论分析

2．2 光泵浦效应对Λ型三能级EIT介质吸收特性影响的实验研究

2．2．1 实验装置及实验结

2．2．2 实验参量对泵浦率(吸收深度和吸收宽度)的影响

2．3 本章小结

第三章 三能级原子-环形腔耦合系统下的四波混频效应

3．1 实验装置及过程描述

3．2 实验结果及讨论分析

3．2．1 腔模失谐对内腔四波混频的影响

3．2．2 耦合光功率和内腔介质粒子数密度对结果的影响

3．2．3 耦合光失谐对内腔四波混频的影响

3．3 本章小结

第四章 全文总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢

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