热原子系综中非线性光学效应的研究

摘要

光与原子相互作用是量子光学乃至光学中的一个重要研究领域。相干光场与多能级原子之间相互作用可以产生许多新奇而重要的量子现象和量子干涉效应。而利用量子相干制备的相干原子介质更是以其小吸收、强色散、高非线性折射率的理想特性被广泛地应用在众多光学领域中。作为其中的典型代表，电磁感应透明(EIT)效应以及EIT介质受到了人们的广泛关注，与EIT相关的理论和实验成为一个非常活跃的研究领域。
　　本文围绕相干光场与多能级原子相互作用，介绍了电磁感应透明(EIT)效应的基本概念及物理特性，回顾了人们对EIT及其相关效应的研究历史，并在此基础上重点介绍了我们基于EIT效应开展的相关实验和理论研究工作，主要包括光群速度减慢实验、Tripod结构中的EIT增强效应和基于Double EIT的弱光交叉Kerr非线性效应以及共振布拉格散射光谱的研究等。具体如下:
　　1)简要介绍了电磁感应透明效应的相关理论及其在实验上的实现，特别对我们开展的光减速实验进行了简单介绍。我们在基态简并的三能级原子介质中观察到了由EIT效应导致的光减速现象，实验测得的光脉冲群速度被减慢到10000m/s。
　　2)在多能级EIT系统中，观察到了由非对称EIT系统导致的探针光偏振面旋转效应即光致旋光效应。我们在87Rb原子D1线中，选取左旋圆偏振耦合光与原子作用，产生了对左旋和右旋圆偏振探针光分量数目非对称的EIT系统，从而破坏了原子介质对探针光两个圆偏振分量折射率的对称性，由此导致了探针光偏振面的旋转。我们设计了一种偏振测量装置，消除了吸收对转角测量的影响，从而较高精度地测量了探针光的偏振面旋转角。实验中，我们用15mW的耦合光实现了探针光45°的偏振面转角。
　　3)在87Rb原子D1线所形成的多塞曼子能级原子系统中，研究了一束线性偏振光（探针光）的偏振光谱，并演示了一个基于光偏振变化的光开关。该探针光的偏振光谱信号是由于另一束左旋圆偏振的泵浦光束引起的探针光偏振特性发生变化所导致的。我们同时提供了一个包含多重塞曼子能级模型的理论分析，其计算结果与实验部分达到了定性的吻合。基于此现象，我们演示了一个弱光下的光开关，其开关能量密度为每个原子散射截面（λ2/2π）约68个光子，相应的开关效率达到约3％。
　　4)在Tripod系统中观察到了Two EIT窗口以及两个窗口相互作用引起的EIT增强效应。通过采用左旋圆偏振探针光、右旋圆偏振触发光和左旋圆偏振耦合光与87Rb原子D1线作用，构建了四能级Tripod结构，在该结构中观察到了当触发光与耦合光的频率失谐不同时，两束光分别对探针光形成的EIT窗口，并研究了这两个EIT窗口之间的相互作用。结果发现，当触发光与耦合光的频率失谐接近或相等时，耦合光形成的EIT信号会被明显增强。我们对上述实验现象进行了数值计算，结果与实验达到了较好的吻合。
　　5)在87Rb原子D1线形成的四能级Tripod系统中，观察到了Double EIT窗口，并研究了基于该Double EIT窗口的弱光交叉Kerr非线性效应。在实验上观察了耦合光在探针光和触发光的吸收谱上同时形成的EIT窗口，并利用Mach-Zehnder干涉仪测量了探针光与触发光之间相互作用导致的交叉Kerr非线性相移及非线性系数。结果显示，当探针光和触发光的透射都超过60％时，触发光的交叉Kerr非线性系数可达2×10-5 cm2/W。同时，我们还考察了交叉Kerr非线性系数对调制光强度的依赖关系。结果发现，随着调制光强度的增加，交叉Kerr非线性系数逐渐减小，也就是说，我们在越弱光下得到的交叉位相调制系数会越大。
　　6)在铷原子气室中，实验演示了一个基于原子布居数差光栅的高分辨率后向共振布拉格散射(Bragg-scattering)光谱。一对反向传播的泵浦光形成稳定的驻波场，并对二能级原子布居数差的空间分布进行周期调制，从而形成一个布居数差光栅。当一束正交偏振的探针光穿过该布居数差光栅时，就会形成后向共振布拉格散射光谱。实验中，共振布拉格散射光谱信号线宽约为3.5MHz，信噪比可达2000。我们利用此布居数差光栅上的每个体积元偶极振荡发出的弹性瑞利散射光的相干叠加原理，从理论上解释了该后向共振布拉格散射光谱。
　　这其中，属于创新性的工作包括:
　　Ⅰ.在多塞曼子能级原子系统中，得到了由于左旋圆偏振泵浦光引起线性偏振探针光偏振特性发生变化而导致的探针光偏振光谱信号，并基于此演示了一个弱光下的光开关，其开关效率达到约3％。
　　Ⅱ.通过选择合适偏振的光与原子的Zeeman子能级作用，构建了四能级Tripod原子系统。在该系统中观察到了耦合光对探针光和触发光同时形成的EIT窗口，即Double EIT窗口，并第一次实验研究了两束弱光之间基于Double EIT窗口的交叉Kerr非线性效应。我们在弱光下观察到了显著的交叉Kerr非线性效应，并用由两个偏振位移器构成的新型Mach-Zehnder干涉仪精确测量了探针光和触发光之间的交叉位相调制相移。
　　Ⅲ.首次在热原子气室中，实验演示了一个基于原子布居数差光栅的高分辨率后向共振布拉格散射光谱信号，并利用弹性瑞利散射光的相干叠加原理对该共振布拉格散射光谱进行了理论解释。实验得到的后向共振布拉格散射光谱信号线宽约为3.5MHz，信噪比可达2000。

目录

摘要

第一章 引言

1．1 电磁感应透明(EIT)效应简介

1．2 EIT效应的应用

1．2．1 光减速及光量子存储

1．2．2 量子关联光子对的产生

1．2．3 EIT增强的弱光非线性效应

1．3 本文的主要内容

参考文献

第二章 EIT效应及光减速

2．1 电磁感应透明效应理论分析

2．2 AR-coated半导体激光器的研制

2．3 利用EIT效应实现的光减速

2．4 小结

参考文献

第三章 非对称EIT导致的光偏振面旋转

3．1 非对称EIT系统中光偏振面旋转的产生机制

3．2 实验装置及测量方法

3．3 实验结果

3．4 小结

参考文献

第四章 光泵浦导致的光偏振变化及其在光开关中的应用

4．1 背景介绍

4．2 理论模型及实验结果

4．3 小结与讨论

参考文献

第五章 四能级Tripod原子系统中Two EIT窗口及EIT增强效应

5．1 理论模型

5．2 实验装置

5．3 Two EIT窗口及EIT增强效应的实验观察

5．4 讨论

5．5 小结

参考文献

第六章 四能级Tripod原子系统中利用EIT实现的交叉Kerr非线性增强效应

6．1 引言

6．2 理论模型和计算

6．3 实验装置

6．4 Mach-Zehnder干涉仪测量方法

6．5 实验结果与讨论

6．6 小结

参考文献

第七章 布居数差光栅导致的共振布拉格散射光谱

7．1 背景介绍

7．2 理论模型

7．3 实验方案及实验结果

7．4 小结与讨论

参考文献

全文总结和展望

博士研究生期间发表的学术论文

致谢

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