热原子蒸汽中的相干与非线性现象

摘要

光与物质的相互作用是物理学的重要研究内容。在经过一个多世纪的研究之后，这个领域依然经常地带给我们惊喜，一些新奇有趣并且重要的现象依然曾出不穷。而它与其他一些学科，如固体物理、量子信息，的交叉也为我们带来了许多新的研究方向。 这篇论文的主题是研究激光与热原子系综的相互作用产生的一些相干和非线性现象以及它们潜在的应用。这篇论文所介绍的研究成果一共分为两大部分。第一部分是关于热原子蒸汽中的一些相干和非线性现象的。包括： 1)热原子蒸汽中的双光子吸收以及光泵辅助的电磁感应透明现象。全光开关是现代光通信和全光计算里的重要组成部分。而基于双光子吸收效应的全光开关方案(Phys.Rev.Lett.81，3611(1998))吸引了很多研究者的兴趣。已经有一些实验在冷原子系统中演示了这个效应。然而在热原子系统中还没有这方面的报道。因此我们进行了这方面的实验研究。结果表明在热原子体系里，由于多普勒效应的影响，这个效应被大大的削弱了。于是我们对实验作了调整，结果发现了一种新的物理现象—光泵辅助的电磁感应透明。这个现象可以应用于全光开关上，并且这个效应不受多普勒展宽的影响。此外这个效应带来的尖锐的光谱结构在精密光谱和激光稳频上都有潜在的应用。 2)无相干转移的电磁感应吸收。电磁感应吸收现象作为电磁感应透明现象的对偶现象受到许多研究者的关注。在以前的研究中这个现象被认为是由于基态与激发态之间的相干转移而引起的。然而我们进行了一个实验，结果表明，在没有基态与激发态之间的相干转移的情况下仍然可以观测到这个现象。这说明了除了相干转移以外还有其他的物理机制可以引起电磁感应吸收现象。 3)电磁感应透明介质里的带隙孤子。关于各种物理体系中的孤子的研究是非线性物理学的重要研究内容。而光孤子因为其在光通信上的潜在应用更是受到了特别的重视。在这个理论工作里，我们讨论了在电磁感应透明介质里的观测一类光孤子(带隙孤子)的可能性。这个方案利用了光致带隙和巨克尔效应。它的好处是要求的光强很低，同时光致带隙的性质可以很容易的调节。这在以前的研究中都是不可能的。这个理论方案使得我们有可能研究带隙孤子的动力学过程。 4)回泵光对近简并四波混频过程的影响。在过去的近三十年里，近简并四波混频被人们详细地研究过。人们之所以对它有兴趣是因为它有许多潜在的应用，例如位相共轭，和近简并四波混频光谱。在后一种应用中，人们感兴趣的是谱线的形状。因为它给出了许多关于原子内态与热库耦合发生弛豫的信息。在许多实验中，碱金属原子的蒸汽充当了非线性介质的角色。有许多的理论模型被提出。这些模型是基于受泵浦场驱动的二能级原子的。但是在实际应用中很难找到真正的二能级原子，我们必须考虑塞曼能级的简并和其他一些影响。因此我们进行了关于光学泵浦对近简并四波混频的影响的实验研究。我们发现回泵光不仅使得近简并四波混频信号增大了很多，而且还对它的谱型产生了很复杂的影响。我们提出了一个简单的模型，解释了我们观测到的部分现象。 5)利用非简并四波混频过程实现光学漩涡轨道角动量的合成。我们对光子的自旋角动量，也就是光子的偏振都很熟悉。然而对它的近亲一光子的轨道角动量却非常的陌生。近年来有关这方面的理论和实验研究逐渐的吸引了很多人的兴趣。因此我们也作了一个相关的实验工作。这个实验演示了利用非简并的四波混频过程来实现两个光学漩涡的轨道角动量的运算。85Rb原子被用来充当光学漩涡之间相互作用的中介。这个实验可以在未来的全光计算和光信息处理方面找到合适的应用。并且四波混频的配置为实际的应用提供了更大的灵活性。 第二部分是关于我们自制的外腔半导体激光器的。因为外腔半导体激光器是我们所有实验中的光源，因此很好的了解它并且掌握制造它的技术是很有必要的。我们通过调研别人的设计并加上自己改进，制成了我们自己的外腔半导体激光器。线宽和功率都达到了我们预期的要求，并且造价十分的低廉。

目录

文摘

英文文摘

引言

第一部分原子蒸汽中的相干与非线性现象:第一章基本理论与实验技术

第一部分原子蒸汽中的相干与非线性现象:第二章实验及理论工作

第二部分外腔半导体激光器-理论和应用:第三章外腔半导体激光器的基本原理

第二部分外腔半导体激光器-理论和应用:第四章外腔半导体激光器的电流和温度控制

第二部分外腔半导体激光器-理论和应用:第五章外腔半导体激光器的稳频

第二部分外腔半导体激光器-理论和应用:第六章外腔半导体激光器的频率调谐

第二部分外腔半导体激光器-理论和应用:第七章外腔半导体激光器的设计、制作与测试

结语

参考文献

致谢

读博期间论文发表情况