（光学专业论文）相干原子介质中非线性效应与量子效应的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 光与原子相互作用是物理学的一个重要研究领域。利用相干光场与多能级原子 作用过程中的量子干涉效应，可以显著地改变原子介质的光学特性，产生许多有趣 且重要的现象。作为其中的典型代表，电磁感应透n ( e i t ) 效应受到了人们的普遍重 视，并且得到了广泛的研究。 本文回顾了e i t 效应研究的发展过程，以及利用e i t 介质色散增强，吸收减弱， 高非线性折射率的特性，在非线性效应和量子效应方面开展的一系列研究工作。主 要介绍了我们利用e i t 介质进行的光脉冲减速，光量子存储与双通道释放，可控光 致旋光效应，冷原子中的多暗态现象，冷原子磁精细能级的态制备，以及原子磁精 细能级布居情况的全光学测量等实验与理论工作。完成的工作主要包括以下几个方 面： 1 ) 设计制作了共焦f p 腔反馈半导体激光器和光栅反馈半导体激光器。进行光 与原子相互作用研究需要高质量的光源。我们根据不同实验对光源的不同要求，设 计制作了波长对应于r b 原子d 1 线和d 2 线的共焦f p 腔反馈半导体激光器和光栅 反馈半导体激光器。通过共焦f p 腔反馈，半导体激光器线宽由自由运转时的1 0 m h z 压窄到4 5 k h z ；采用电流同步扫描技术，频率连续扫描范围可以达到3 4 g h z 。这种 激光器主要应用在对激光线宽要求较高的实验中。采用l i t t r o w 式光栅反馈，将激光 器线宽压窄到4 m h z 左右；采用电流同步扫描技术，频率连续扫描范围可以达到 9 g h z 。这种激光器主要应用在对激光线宽要求不高，但需要大范围频率连续调谐的 实验中。 2 ) 电磁感应透明及其与实验参量的关系。以a 型三能级原子系统为例，用半经 典理论给出了e i t 效应的理论模型，分析了e i t 介质的吸收和色散特性。用自制的 不同线宽半导体激光器以及不同的r b 原子气室( 普通r b 泡以及充缓冲气体r b 泡) ， 实验研究了e i t 窗口宽度与各个实验参量间的关系。实验证明在耦合光较弱情况下， e i t 窗口宽度与耦合光拉比频率成正比；减小耦合光和探针光的激光线宽可以压窄 e i t 窗口的宽度：只有当耦合光与探针光的线宽与原子基态间无辐射跃迁速率丫3 l 可 比拟时，充缓冲气体对e i t 窗口的压窄效果才能体现出来。这些结论对于更好的理 解不同参量在原子相干过程中的作用，更好的认识e i t 效应的物理实质，以及更好 v n 相干原子介质中非线性效应与量子效应的研究 的利用e i t 效应有着非常重要的作用。 3 1 在e i t 介质中实现光脉冲减速及光量子存储。在基态简并的a 型三能级原子 介质中，观察到了由e i t 效应导致的光减速现象，实验测得光脉冲的群速度被减慢 到8 0 0 0 m s 。研究了经过e i t 介质的光脉冲延迟时间对系统单光子频率失谐量的依赖 关系。结果表明，由于多普勒展宽效应的存在，在单光子频率失谐+ 6 0 0 m h z 范围内， 光减速现象较为显著。这一研究结果为利用单光子频率失谐控制光的群速度提供了 理论与实验参考。在实现光脉冲减速的基础上，通过绝热地关断和开启耦合光，实 验实现了e i t 介质中的光量子存储与释放，存储时间可以达到l o o p s 。在双a 型四 能级原子系统中，采用不同波长( 7 9 5 n m 和7 8 0 n m ) 的读控制光，使存储在e i t 介 质中的光量子信息以不同波长光脉冲形式释放出来。利用光栅可以将不同波长的释 放光脉冲在空间上分离，从而实现存储光量子信息的可控双通道释放。这一结果用 来实现高效的全光学路由器，多通道光开关等。 4 ) 由非对称e i t 系统导致的光致旋光效应。在多能级e i t 系统中，通过选择特 定偏振的耦合光，可以破坏原子介质对探针光左旋和右旋圆偏振分量折射率的对称 性，从而导致探针光偏振面的旋转。提出了一种新的测量方法，可以扣除吸收对转 角的影响，准确测出由折射率变化引起的探针光偏振面转角。由于探针光两分量均 与耦合光形成e i t ，因此可以在与原子近共振频率处，用较低功率的耦合光实现探针 光偏振面的显著旋转，且二向色性小。实验中耦合光功率1 5 m w 时，可以使探针光 偏振面旋转4 5 。转角的大小可以由探针光频率失谐，耦合光功率，以及气室温度 来控制。这一光致旋光效应方案可以用来实现全光开关，原子波片等光量子器件。 5 1 冷原子介质中的多暗态现象。建立了用于冷却与俘获8 7 r b 原子的磁光阱装 置。分别采用收集荧光法和短程飞行时间法测量了俘获冷原子的数目和温度。磁光 阱中俘获冷原子的数目为1 0 9 个，密度为1 0 “c m - 3 ，等效温度约为2 0 0 越。基于l a b v i e w 6 0 平台和p c i 6 7 1 3 数据采集卡开发了6 通道时序信号发生器，实现了对冷原子系统 的灵活控制。实验演示并理论解释了在多能级8 7 r b 冷原子介质中的多暗态效应。这 一多暗态效应是由于耦合光在不同z e e r a a n 子能级间不同的跃迁强度而造成的，且只 能在冷原子介质中实现。这种多暗态系统可以用来实现多通道光通讯和多通道的量 子信息处理。 6 ) 冷原子磁精细能级的态制备以及原子态布居情况测量。回顾了对原子磁精细 能级( z e e m a n 子能级) 进行态制备和布居情况测量的各种方法。指出现有测量方法 在用于量子光学和量子信息实验研究的磁光阱装置上应用的局限性。提出并实验演 v i l l 中文摘要 示了一种简单的对冷原子磁精细能级进行态制备以及测量原子在各磁精细能级上布 居情况的全光学方法。通过选择耦合光和泵浦光的不同偏振组合，原子可以被高纯 度地制备到任意一个需要的z e e m a n 子能级上。原子各磁精细能级的布居情况可以非 常简单且直观地用一束弱的圆偏振探针光测定。这一新的实验技术可以应用到许多 以冷原子为实验介质的量子光学和量子信息实验中。 其中创新性的工作包括： i 在利用热原子e i t 介质进行光减速的实验中，研究了经过e i t 介质的光脉冲 延迟时间对系统单光子频率失谐量的依赖关系。 在利用e i t 介质进行光量子存储与释放的实验中，首次在e i t 条件下实现存 储光量子信息的双波长释放，并利用光栅将不同波长的释放光脉冲在空间上分开。 实现了存储光量子信息的可控双通道释放。 首次提出并实验证明在多能级原子系统中，利用特定偏振耦合光导致的非对 称e i t 系统，可以实现光致旋光效应。该系统中，探针光的两个圆偏振分量均与耦 合光形成e i t ，使得我们可以在原子近共振频率处，利用较小的耦合光功率实现显著 的探针光偏振面转角，且系统二向色性小。在实验中，利用1 5 m w 的耦合光就可以 导致探针光偏振面旋转4 5 。转角的大小可以由探针光频率失谐，耦合光功率，以 及气室温度来灵活控制。首次提出利用两对探测器联合测量方法，可以扣除吸收对 转角的影响，准确测出由折射率变化引起的探针光偏振面旋转角。 利用原子不同z e e m a n 子能级间跃迁强度的不同，首次在冷原子介质中观测 到了热原子介质中观察不到的多暗态现象，并利用半经典理论进行拟合。 v 实验实现了原子磁精细能级态制备的全光学方法。通过泵浦光和耦合光的不 同偏振组合，可以将原子高纯度地制备到基态的任意一个磁精细能级上。首次提出 并实验演示了一种测量原子磁精细能级布居情况的直观的全光学方法。 关键词：电磁感应透明；光减速；光量子存储；光致旋光效应；多暗态 i x a b s t r a c t t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nl i g h ta n da t o m si so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t f i e l d si np h y s i c s c o h e r e n tl i g h ti n t e r a c t i n gw i t hm u l t i - l e v e la t o m sc a nl e a dt o q u a n t u mi n t e r f e r e f i c ei nt h ea m p l i t u d e so fo p t i c a lt r a n s i t i o n s i nt h i sw a yt h e o p t i c a lp r o p e r t i e so f am e d i u mc a nb ed r a m a t i c a l l ym o d i f i e d , l e a d i n gt om a n y i n t e r e s t i n g a n d i m p o r t a n tp h e n o m e n a a s t h em o s t t y p i c a l o n e ， e l e c t r o m a g n e t i c a l l yi n d u c e dt r a n s p a r e n c y ( e i t ) e f f e c th a sa t t r a c t e dg r e a t a t t e n t i o na n dh a sb e e nr e s e a r c h e de x t e n s i v e l y t h i sd i s s e r t a t i o nr e v i e w st h ed e v e l o p m e n to ft h er e s e a r c hw o r k so ne i t e f f e c t , a sw e l la si t sa p p l i c a t i o no nn o n l i n e a ra n dq u a n t u me f f e c t sc a u s e db y t h ep r o p e r t i e s ( r e d u c e da b s o r p t i o n ，s t e e pd i s p e r s i o n , a n dg r e a t l ye n h a n c e d n o n l i n e a rs u s c e p t i b i l i t y ) o fe i tm e d i u m t h ee x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a l w o r k sw ec o m p l e t e di ne i tm e d i u mw e r em a i n l yi n t r o d u c e di nt h i s d i s s e r t a t i o n ，i n c l u d i n gl i g h ts p e e dr e d u c t i o n , o p t i c a lq u a n t u ms t o r a g ea n di t s t w oc h a n n e lr e l e a s i n g ，c o n t r o l l a b l eo p t i c a li n d u c e dp o l a r i z a t i o nr o t a t i o n ， m u l t i d a r k - s t a t er e s o n a n c e si nc o l dm u l t i - z e e m a n s u b l e v e lm o m s ，p r e p a r t i o n a n dd e t e r m i n a t i o no fs p i n - p o l a r i z e ds t a t e si nm u l t i z e e m a n s u b l e v e la t o m s ， t h em a i na c c o m p l i s h e dw o r k sa r ea sf o l l o w s ： n d e s i g n i n ga n dc o n s t r u c t i n gd i o d el a s e r sf e e d b a c kb yc o n f o c a lf p c a v i t yo rg r a t i n gr e s p e c t i v e l y h i g hq u a l i t yl i g h ts o u r c e sa r en e e d e dt o c o m p l e t et h eh i g hq u a l i t ye x p e r i m e n t so fi n t e r a c t i o nb e t w e e nl i g h ta n da t o m s a sr e q u i r e db yd i f f e r e n te x p e r i m e n t a ls y s t e m s ，w ed e s i g n e da n dc o n s t r u c t e d d i o d el a s e r sf e e d b a c kb yc o n f o c a lf pc a v i t ya n dg r a t i n gr e s p e c t i v e l y , w i t h w a v e l e n g t hc o r r e s p o n d i n gt ot h ed 1o rd 2l i n eo fr u b i d i u ma t o m s w i t h o p t i c a lf e e d b a c kf r o mt h ec o n f o c a lf pc a v i t y , t h el i n e w i d t ho fd i o d el a s e r w a sr e d u c e df r o m10m h za tf r e er u n n i n gt o4 5k h z t h ec o n t i n u o u s l y f r e q u e n c y - t u n i n gr a n g eo f3 4 g h zw a se x p e r i m e n t a l l yr e a l i z e dw i t ht h e i n j e c t i o n - c u r r e n ts c a n n i n gf o l l o w i n g t h i sk i n do fd i o d el a s e rw a sm o s t l y u s e di nt h ee x p e r i m e n t s ，w h i c hw e r es e n s i t i v et ol a s e rl i n e w i d t h u s i n g o p t i c a lf e e d b a c kf r o mg r a t i n gw i t hl i t t r o wc o n f i g u r a t i o n , t h el i n e w i d t ho f x a b s t r a c t l a s e rd i o d ec a l lb er e d u c e dt o4 m h z i t sc o n t i n u o u s l yf r e q u e n c y t u n i n gr a n g e c a na c h i e v e9 g h zw i t ht h ei n j e c t i o n c u r r e n ts c a n n i n gf o l l o w i n g t h i sk i n do f d i o d el a s e rw a sm o s t l yu s e di nt h ee x p e r i m e n t s ，w h i c hw e r en o ts e n s i t i v et o t h el a s e rl i n e w i d t h ，b u tn e e d e dw i d e l yf r e q u e n c y - t u n i n gr a n g e 2 ) t h ee f f e c t so fe x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r so ne i t t a k i n ge x a m p l ef o r a - t y p et h r e e l e v e la t o m i cs y s t e m ，t h et h e o r e t i c a lm o d e lo fe i te f f e c tw a s g i v e nu s i n gs e m i c l a s s i c a lt h e o r y t h ea b s o r p t i o na n dd i s p e r s i o np r o p e r t i e so f e i tm e d i u mw e r ea l s o a n a l y z e d w ee x p e r i m e n t a l l y r e s e a r c h e dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ne i tl i n e w i d t ha n de x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r sf o rs e v e r a l l a s e rl i n e w i d t h si nr bv a p o rc e l l sw i ma n dw i t h o u tb u f f e rg a s w h e nt h e c o u p l i n gb e a mi sw e a k , i ti se x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t e dt h a tt h ee i t l i n e w i d t hi sp r o p o r t i o n a lt ot h er a b if r e q u e n c yo ft h e c o u p l i n gl a s e rb e a m ； r e d u c i n gt h el a s e rl i n e w i d t h so fb o t hc o u p l i n ga n dp r o b el a s e rc a nn a l t o wt h e e i tl i n e w i d t h ；a st h el i n e w i d t h so ft h el a s e r sa p p r o a c h e st h ed e p h a s i n gr a t e y 3 1f o rt h et w og r o u n ds t a t e s ，d e c r e a s i n g 怕1w i l lo b v i o u s l yr e d u c et h ee i t l i n e w i d t h t h e s ec o n c l u s i o n sa r ev e r yu s e f u lf o rb e t t e ru n d e r s t a n d i n gt h e e f f e c t so fe x p e r i m e n t a l p a r a m e t e r so na t o m i cc o h e r e n tp r o c e s s ；b e t t e r u n d e r s t a n d i n gt h ep h y s i c a ls u b s t a n c eo fe i te f f e c t ；a n db e t t e ra p p l y i n gt h e e i te f f e c t 3 ) r e a l i z i n gt h el i g h ts p e e dr e d u c t i o n ( r e d u c e dt o8 0 0 0 n t i s ) a n do p t i c a l q u a n t u ms t o r a g ei ne i tm e d i u m w eh a v eo b s e r v e dt h er e d u c t i o no fg r o u p v e l o c i t yo fl i g h tv i ae i te f f e c ta n dm e a s u r e dt h ed e p e n d e n c eo fp u l s ed e l a y o nt h eo n e - 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p o l a r i z e ds t a t e so fa t o m sa r er e v i e w e d w ep o i n to u t t h a tm o s to ft h e s et e c h n i q u e sc a nn o tb eu s e df o rc o l da t o m st r a p p e di nt h e m o tw h i c hi si m p o r t a n tf o rt h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so fq u a n t u mo p t i c s a n dq u a n t u mi n f o r m a t i o np r o c e s s i n g w ed e m o n s t r a t eas i m p l e ，a l l - o p t i c a l t e c h n i q u et op r e p a r ea n dd e t e r m i n et h ed e s i r e di n t e r n a lq u a n t u ms t a t e si n m u l t i z e e m a n s u b l e v e l a t o m s b yc h o o s i n ga p p r o p r i a t ec o u p l i n g a n d p u m p i n gl a s e rb e a m s ，a t o m sc a l lb ee a s i l yp r e p a r e di nad e s i r e dz e e m a n s u b l e v e lw i t hh i g l lp u r i t y t h ep o p u l a t i o nd i s t r i b u t i o n so rs t a t ep u r i t i e so f s u c hp r e p a r e da t o m i cs t a t e s c a l lb ed e t e r m i n e d b yu s i n g aw e a k , c i r c u l a r l y p o l a r i z e dp r o b eb e a md u et o d i f f e r e n c e si nt r a n s i t i o ns t r e n g t h s a m o n gd i f f e r e n tz e e m a ns u b l e v e l s t h i sn e wt e c h n i q u ew i l lh a v ep o t e n t i a l i m p a c t sf o rq u a n t u mo p t i c sa n dq u a n t u mi n f o r m a t i o np r o c e s s i n gi nc o l d m u l t i l e v e la t o m i cs y s t e m s 胁ec h a r a c t e r i z e dw o r k sa m o n gt h ea b o v ea r ea sf o l l o w i n g ： i i nt h ew o r ko fl i g h ts p e e dr e d u c t i o ni nh o te i tm e d i u m ，t h ep u l s ed e l a y i ne i tm e d i u ma saf u n c t i o no fo n e p h o t o nd e t u n i n go fs y s t e mi s r e s e a r c h e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y u r e l e a s i n gt h es t o r e do p t i c a lq u a n t u mi n f o r m a t i o ni n t ot w op h o t o n i c c h a n n e l su n d e re i tc o n d i t i o nw a sr e a l i z e df o rt h ef i r s tt i m e i i i w bp r o p o s ea n de x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t et h a tt h eo p t i c a l l yi n d u c e d x l i t p o l a r i z a t i o nr o t a t i o nc a l lb er e a l i z e di na na s y m m e t r ye i ts y s t e mc a u s e d b yap r o p e r l yp o l a r i z e dc o u p l i n gf i e l df o rt h ef i r s tt i m e i nt h i ss y s t e m ， b o t ho ft h et w oo r t h o g o n a lp o l a r i z a t i o nc o m p o n e n t so ft h ep r o b ef i e l d f o r me i tw i t hc o u p l i n gf i e l d ，w ec a l lr e a l i z el a r g ep o l a r i z a t i o nr o t a t i o n ( w i t hs m a l lc i r c u l a rd i c h r o i s m ) w i t hr e l a t i v el o wc o u p l i n gp o w e r i nt h e e x p e r i m e n t , t h er o t a t i o na n g l eo f4 5 0c a nb er e a l i z e dw h e nt h ec o u p l i n g p o w e ri s1 5m w t h ep o l a r i z a t i o nr o t a t i o na n g l ec a nb ee a s i l yc o n t r o l l e d t h r o u g hp r o b ed e t u n i n g ，c o u p l i n gp o w e r , a n dt e m p e r a t u r e w ep r o p o s e da n e wm e t h o dm e a s u r i n gt h ep o l a r i z a t i o nr o t a t i o nc a u s e db yt h ec h a n g e so f r e f r a c t i v i t yf o rt h ef i r s tt i m e ，w h i c hc a ne l i m i n a t et h ee f f e c to fa b s o