（生物学专业论文）基于非相干碰撞产生量子相干控制的研究.pdf

摘要 近年来，量子相干控制在诸如高灵敏高精度激光光谱和新型量子频标、分 子运动和物理化学反应的操控、原子分子激发态结构信息、量子态绝热布居转移、 量子计算和量子信息处理等方面具有广泛的应用而受到人们的关注。基于量子干 涉效应而产生的相干控制可分为频域和时域内的两种：频域内的量子相干控制来 源于两个或多个同时的不同跃迁路径间的干涉，时域内的量子相干控制来源于两 个或多个具有一定延时的同一跃迁路径间的干涉。本文旨在从理论和实验两方面 对以往较少涉及的原子及原子一分子混合体系中基于非相干碰撞而产生的频域和 时域内多能级系统量子相干控制效应进行研究，并着重探索量子相干控制产生的 条件及其对外界条件的依赖关系等。 对于时域内的多能级系统量子相干控制，首次报道了在钠原子分子混合体 系中基于等频混合激发和离共振碰撞感应激发而产生的钠原子两延时跃迁3 p 5 s ( 或4 d ) 相干涉而产生的r a m s e y 条纹的实验观察，并通过测量干涉信号随外 界条件( 缓冲气压和温度) 的变化关系进一步在实验上确认。同时通过求解薛定 谔方程分析了碰撞引起的激发态驰豫速率、两碰撞激发跃迁几率比及分子。原子 碰撞能量转移速率等因数对干涉效应的影响，揭示了通过碰撞这种非相干过程可 实现时域内的多能级系统量子相干控制。 对于频域内的多能级系统量子相干控制，运用半经典理论首次研究了一个 含菱形的开放五能级系统中基于碰撞感应激发而产生的间距较大双能级间的相 干及量子干涉相消效应。分析了碰撞引起的相干和非相干驰豫速率、激光拉比频 率、相邻两能级间距、不同跃迁偶极矩比等因数对干涉效应的影响；揭示了通过 碰撞这种非相干过程可实现间距较大双能级问的相干叠加，从而产生量子干涉。 同时运用缀饰态理论，对干涉产生的条件、干涉特性给出明了的物理公式；对碰 撞产生的相干相消给出了清晰的物理图象。 运用半经典理论，在考虑了探测场所有高阶项的情况下，通过求解含时密 度矩阵方程研究了不同能量抽运场作用下a 型三能级系统的瞬态电磁感应透明 特性，分析了不同能量抽运场作用下弱探测场的吸收、各能级布居及相干项p2 3 i i 随时间的演变关系。同时对系统产生瞬态无反转放大的物理机制进行了分析。 本文的工作对进一步认识频域和时域内量子相干控制的本质及运用非相干 碰撞过程研究量子相干控制效应将具有重要意义。 关键词：量子相干控制；量子干涉：非相干碰撞；钠原子一分子混合系统 a b s t r a c t r e c e n t l y , q u a n t u mc o h e r e n tc o n t r o lh a sa t t r a c t e dc o n s i d e r a b l ei n t e r e s td u et oi t s e x t e n s i v ea p p l i c a t i o n s ，s u c ha st oo b t a i n u l t r a h i g h r e s o l u t i o ns p e c t r o s c o p ya n d f r e q u e n c ym e t r o l o g y , t oc o n t r o lm o l e c u l a rm o t i o na n dc h e m i c a lr e a c t i o n s ，t og e t i n f o r m a t i o no na t o m i co rm o l e c u l a re x c i t e ds t a t e s ，t oa c h i e v ec o h e r e n tr a p i da d i a b a t i c p o p u l a t i o nt r a n s f e r , a n dt or e a l i z eq u a n t u mc o m p u t a t i o na n dq u a n t u mi n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g t h e r ee x i s tt w ok i n d so fq u a n t u mi n t e r f e r e n c e sw h i c hu n d e r l i eq u a n t u m c o h e r e n tc o n t r 0 1 o n er e f e r st ot h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nt w oo rm o r ed i f f e r e n t t r a n s i t i o np a t h w a y sc o n n e c t i n gt h es a m ei n i t i a lo rf i n a ls t a t ei nt h ef r e q u e n c yd o m a i n ， a n dt h eo t h e rr e f e r st ot h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nt w oo rm o r et i m e s e p a r a t e dt r a n s i t i o n p a t h w a y sc o n n e c t i n gt h es a m ei n i t i a la n df i n a ls t a t e si nt h et i m ed o m a i n i nt h i st h e s i s ， w et r yt ot 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 yi n v e s t i g a t ec o l l i s i o n - i n d u c e dq u a n t u m c o h e r e n tc o n t r o li nb o t ht h et i m ea n df r e q u e n c yd o m a i n si na t o m i cm u l t i l e v e ls y s t e m a n da t o m - m o l e c u l eh y b r i ds y s t e mt of i n dt h ec o n d i t i o n sf o rg e n e r a t i n gq u a n t u m c o h e r e n tc o n t r o l ，a n dt h e d e p e n d e n c eo fq u a n t u mc o h e r e n t c o n t r o lo nt h e e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s i nt h ec a s eo fq u a n t u mc o h e r e n tc o n t r o li nt h et i m ed o m a i n , w er e p o r tt h e e x p e r i m e n t a lo b s e r v a t i o no ft h eq u a n t u mi n t e r f e r e n c eb e t w e e nt w ot i m e - d e l a y e d 3 p 一5 s ( o r4 d ) t r a n s i t i o np a t h w a y sr e a l i z e dt h r o u g ht h ea t o m i cc o l l i s i o n - a s s i s t e d t w o - - s t e pe x c i t a t i o na n da t o m - - m o l e c u l eh y b r i de x c i t a t i o nb yas i n g l en a n o s e c o n dl a s e r p u l s ei nt h en a 2 - n as y s t e m b ys o l v i n gt h et i m e d e p e n d e n ts c h r 6 d i n g e re q u a t i o n ，w e s t u d yt h ee f f e c t s o ft h er a t i oo ft h et w oc o l l i s i o n - a s s i s t e dt r a n s i t i o np r o b a b i l i t i e s ， c o l l i s i o ne n e r g yt r a n s f e rr a t e ，a n dc o l l i s i o n - i n d u c e dd e c a yr a t eo ft h e5 s ( o r4 d ) s t a t e o nt h ei n t e r f e r e n c ef r i n g e s i ti sc l e a r l ys h o w nt h a tt e m p o r a lc o h e r e n tc o n t r o lo f q u a n t u ma m p l i t u d e sc a r lb er e a l i z e dt h r o u g ht h ei n c o h e r e n tc o l l i s i o n s i nt h ec a s eo fq u a n t u mc o h e r e n tc o n t r o li nt h ef r e q u e n c yd o m a i n ，w e t h e o r e t i c a l l ys t u d y t h ec o l l i s i o n i n d u c e dd e s t r u c t i v ei n t e r f e r e n c ei na n o p e n r h o m b t y p ef i v e l e v e ls y s t e mw i t haw i d e l y s e p a r a t e dd o u b l e t b yu s i n gt h ed e n s i t y m a t r i xa p p r o a c h ，t h ee f f e c t so ft h ec o l l i s i o n i n d u c e dc o h e r e n ta n di n c o h e r e n td e c a y r a t e s ，t h ef r e q u e n c ys e p a r a t i o no f t h ed o u b l e t ，a n dt h er a t i oo f t h et w ot r a n s i t i o nd i p o l e m o m e n t so nt h ei n t e r f e r e n c ea r ea n a l y z e d o u rr e s u l t sc l e a r l ys h o wt h a tt h ec o l l i s i o n s c a nb eu s e da sa na l t e r n a t i v et oc r e a t ec o h e r e n c eb e t w e e naw i d e l y s e p a r a t e dd o u b l e t a n ds u b s e q u e n t l yr e a l i z e q u a n t u mc o h e r e n tc o n t r o li nt h e 行e q u e n c yd o m a i n t h e p h y s i c a lo r i g i no ft h ec o l l i s i o n i n d u c e di n t e r f e r e n c ei sa l s op r e s e n t e di nt e r m so ft h e a t o m f i e l dd r e s s e ds t a t e s t h et r a n s i e n tp r o p e r t i e so fe 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 ) w i t hd i f f e r e n tp u m pl a s e re n e r g i e si naa t y p et h r e e l e v e ls y s t e ma r es t u d i e db y s o l v i n gt h et i m e d e p e n d e n td e n s i t ym a a i xe q u a t i o n ，t h et i m ee v o l u t i o no ft h ep r o b e l a s e ra b s o r p t i o n ，t h ep o p u l a t i o n so ft h et h r e el e v e l s ，a n dt h ec o h e r e n tt e r mp2 3a r e a n a l y z e d i ti ss h o w nt h a tt r a n s i e n ta m p l i f i c a t i o nw i t h o u ti n v e r s i o n ( a w l ) c a nb e r e a l i z e dw i t hh i g hp u m pl a s e re n e r g ya n dt h a tt r a n s i e n te i tw o u l dr e d u c ea n d t r a n s i e n ta w lw o u l dd i s a p p e a rw i t ht h ed e c r e a s eo ft h ep u m pl a s e re n e r g y t h e m e c h a n i s mo f t r a n s i e n ta w li sa l s oa n a l y z e d t h ep r e s e n tw o r kp l a y sa n _ i m p o r t a n tr o l e i nf u r t h e ru n d e r s t a n d i n gq u a n t u m c o h e r e n tc o n t r o li nb o t ht h et i m ea n df r e q u e n c yd o m a i n sa n df u r t h e rs t u d y i n g q u a n t u mc o h e r e n tc o n t r o lt h r o u g ht h ei n c o h e r e n tc o l l i s i o n s k e yw o r d s ：q u a n t u mc o h e r e n tc o n t r o l ；q u a n t u mi n t e r f e r e n c e s ；i n c o h e r e n tc o l l i s i o n n a n a 2h y b r i ds y s t e m v 致谢 首先，我要感谢我的合作导师孙真荣教授。本论文的完成，从论文的选题、 文献的调研、实验方案及理论分析，都注过他大量的心血。与孙老师合作的两年 间，我不仅仅学到了更多的知识，而且学会了分析和解决关键问题的方法，将使 我终生受益。同时十分感谢孙老师在生活方面给予我很多的关心和帮助。 感谢王祖赓教授，在两年来的实验和理论研究中，他给予了我很多具体的 建议和指导。他严谨的治学态度、渊博的学术知识、踏实的工作作风、敏锐的洞 察力，都是我学习的榜样。本论文的完成与王老师的辛勤付出是分不开的。 感谢丁良恩教授在实验结果分析、张卫平教授和曾和平教授在理论分析和 论文写作方面的帮助。 感谢陈扬驳教授、印建平教授、马龙生教授、毕志毅教授、丁晶新工程师、 杨晓华副教授、金祖琴老师和光学组的其他老师给予我的关心和帮助。 感谢香港浸会大学朱诗尧教授有益的讨论和帮助。 感谢张诗按博士及光学组其他关心和帮助过我的许多同学。 感谢我的爱人洪蕾女士给予我的支持和鼓励。 第一章绪论 1 1 研究现状 第一章绪论 近年来，量子相干控制受到人们广泛的关注。量子相干控制是指处于某一 已知的初始状态的原子或分子系统，通过特定的激光场来控制其动力学行为或过 程，最终实现人们所需要的目标状态。基于量子干涉效应而产生的相干控制可分 为频域和时域内的两种：频域内的量子相干控制来源于两个或多个同时的不同跃 迁路径间的干涉，时域内的量子相干控制来源于两个或多个具有一定延时的同一 跃迁路径问的干涉。本论文主要研究基于碰撞这种非相干过程产生频域和时域内 的量子相干控制特性。 ( i ) 时域内的量子相干控制 瞬态量子相干控制是基于时域内的量子干涉，其在诸如高灵敏高精度激光 光谱和新型量子频标 1 5 】、分子运动和物理化学反应的操控 6 9 、原子分子激发 念结构信息 1 0 1 1 、量子信息的处理和存储等 1 2 1 5 1 方面具有广泛的应用而受到 人们的青睐。 在瞬态相干控制中，第一个激光脉冲激发原子或分子使其某一激发态获得 一定的布居，当具有一定延时的第二个脉冲作用后，原子或分子激发态的布居取 决于两个跃迁几率幅的叠加，总的激发态布居可能为零，也可能为单束激光脉冲 激发获得布居的四倍。相干控制的基本原理最早是由b r u m e r 和s h a p i r o 1 6 在 1 9 8 6 年提出的，但仅在最近几年这一研究才较广泛地丌展，这主要是得益于飞秒 激光技术的发展。高稳定、低价格的全固化钛宝石飞秒脉冲激光器曰益普及，使 得人们可以在原子分子退相时间范围内认识很多物理化学过程，相干控制在物理 和化学中的研究从而也蓬勃开展起来。有关基于飞秒激光相干控制的理论和实验 己进行了大量的研究 1 7 ，1 8 。这里介绍一些已经实现相干控制的主要实验方案 及其应用。b r u e r 和s h a p i r o 在1 9 9 1 年提出了利用单光子和三光子激发具有两个 第一章绪论 反应通道的初始本征态相同而终态又都湮没在同一组简并的连续态的分子，通过 改变这二束激光的相位差和相对强度，从而控制上能级即连续态的两个解离通道 的分支比 1 9 ；后来，e n g e l 和b l a n c h e t 等人 1 0 - 1 1 通过控制两束激光脉冲的时 间延迟实现了对原子分子单光子和双光子跃迁几率的控制。1 9 9 8 年，m e s h u l a c h 和s i l b e r b e r g 把由单光子和三光子两束激光的相干控制模式发展为一束超快激 光的双光子激发模式 2 0 ，他们采用计算机程序控制的液晶空间光学调制器 ( s l m ，s p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r ) 对激光脉冲场本身振幅( 强度) 和位相分布进行调 制，从而获得不同振幅和相位参数的激光场，使其能达到量子控制的目的。r a b i t z 2 1 等人利用“基因遗传”算法理论，通过计算机程序控制的液晶空阳j 光学调制 器对激光脉冲振幅和位相分布进行的调控。经过一代代的遗传控制之后，获得最 佳振幅和相位参数的激光脉冲，从而实现对原子分子的有效操控。 ( a ) 单光子吸收( b ) 等频双光子吸收 图1 瞬态相干控制单光子和双光予跃迁两能级系统。 瞬态量子相干控制的实现依赖于具有定时间延迟的两跃迁几率幅间的相 干叠加。于涉的特性( 相干相长或相干相消) 取决于两个延时的跃迁几率幅间的 相位和延时期间系统的演化。结构简单且研究很广的有单光子和双光子激发的两 能级系统，如图1 所示。在瞬态量子相干控制研究中，通常通过控制两束激光脉 冲的时间延迟以达到相干控制的目的。值得一提的是，b l a n c h e t 1 1 等人利用两 延时的双光子激发而实现的瞬态相干控制有效地区分了光学干涉和量子干涉。 第一章绪论 为了能够有效地实现瞬态相干控制，必须满足两个条件：一是，后一个跃 迁相对于前一个跃迁的延迟时间须小于原子分子激发态的寿命或任何消相过程 引起的驰豫时间，二是两延时跃迁的激发几率必须近似相等。在以往的实验中， 两延时跃迁路径可通过以下几种方式产生： ( 1 ) 用原子分子束通过两个空间分离的连续激光束i 1 2 ，4 - 5 】， ( 2 ) 同一脉冲激光通过光学延迟线获得两个具有一定延时的脉冲串 【3 ，1 0 1 1 ，1 4 ， ( 3 ) 利用原子喷泉 2 2 1 。 对于两个近似相等跃迁几率幅的实现可方便地用激光脉冲能量来控制。 一般地，人们都认为在室温和高温下碰撞是一一种非相干过程，其对量子相 干控制总具有破坏作用 5 ，2 3 。但是，正如b l o e m b e r g e n 2 4 * ub e r m a n 【2 5 所指 出，以及最近为我们实验所证实 2 6 2 7 ，适当地控制碰撞产生的迟豫速率，非相 干碰撞可实现在频域内具有较大能级间距双能级间的相干，从而产生量子干涉。 本文我们进一步论证，通过适当的控制碰撞激发产生的两跃迁几率比、分子原子 碰撞能量转移速率及激发态的迟豫速率，利用碰撞这一非相干过程同样可实现时 域内量子相干控制。 ( i i ) 频域内的量子相干控制 频域内的量子相干控制来源于两个或多个同时的不同跃迁路径间的干涉。 人们已从理论和实验上对频域内的量子干涉进行了大量的研究，例如自发辐射相 i 2 8 3 0 】，电磁感应透明【3 1 - 3 2 】，相干布居捕获 3 3 3 4 ，无反转放大( 激光) 3 5 3 6 】，量子态绝热布居转移 3 7 】，以及吸收或辐射线型的变窄 2 7 ，3 8 等。 相干布居捕获是频域内量子干涉效应研究的核心，大多数与量子干涉效应 有关的现象是以此为基础的，因而它是最基本也是最早开展研究的课题。如图2 所示，在一个具有两个相邻下能级的a 型三能级系统中，若两相干场分别以拉比 频率q l 和q 2 共振或近共振耦合能级1 2 和2 3 ，则系统总的哈密顿量h 的本征 态为裸原子本征态的线性叠加。当两相干场的频率差等于两下能级间距时，其中 两个本征态将变为两下能级的相干叠加，即 第一章绪论 c _ 旦lj 1 + f l _ z _ zj3 ， q 。q 。 n c ：堕1 1 一鱼i3 q q ( 1 ) ( 2 ) 上式中q = q ；+ q ；。本征态l c 可通过偶极作用与能级2 耦合，而本征态i n c 与能级2 无耦合作用。处于i n c 态的粒子将被捕获而不再吸收或发射光子，这 种现象被称为相干布居捕获。l n c 态被称为捕获悉。相干布居捕获首先由 a l z e t t a 、g o z z i n i 、m o i 和o r r i o l s 于19 7 6 年观察至1 j 3 3 。与此同时，w h i t l e y 和 1 图2 两相干场共振或近共振作用于人一型三能级系统 s t r o u d 于1 9 7 6 年在理论上研究了两个相干光场分别与梯形三能级系统的两个能 级共振( 有一个公共能级) 而导致的相干布居捕获 3 9 。g r a y 、w h i t l e y 和s t r o u d 于1 9 7 8 年利用两束激光在钠原子两个基态能级和一个激发态能级组成的三能级 系统中观察到了相干布居捕获现象 4 0 。g r a y 、w h i t l e y 和s t r o u d 4 0 $ da x i m o n d o 和o r r i o l s 4 1 分别指出钠原予中的共振而无吸收状态是由于相干过程导致的。相 干布居捕获的提法则是1 9 8 1 年a g r a w a l 在讨论利用三能级系统实现光学双稳态 时首次用到 4 2 。进入八十年代以来，c p t 被应用到许多实际领域，其中最重要 的应用有超精细分裂的高分辨率精密测量 4 3 4 4 、光学双稳 4 5 4 6 1 、激光冷却 4 7 、电磁感应透明【3 1 - 3 2 ，量子态绝热布居转移 3 7 和无反转激光的实现 【3 5 3 6 。 目前关于频域内量子相干控制的多能级系统结构简单且研究很广的有a 型 和v 型三能级结构，如图3 所示。众所周知，在多能级系统中，为了实现两个 第一章绪论 或多个不同跃迁间的干涉，相邻多能级之间必须形成相干叠加。而适当的相邻多 能级的设置可有多种途径，例如：利用原子本身固有的靠得较近的几个能级( 如 精细或超精细结构) 、通过外加静电场( s t a r k 效应) 或磁场( z e e m a n 效应) 使 原子产生分裂或通过强激光场的作用而产生a u t l e r - t o w n e s 双分裂等。以往的研 究大都是利用间距较小的双能级，此时，双能级间相干叠加的实现可方便地用一 个宽脉冲激光场、射频场或微波场直接耦合此双能级；用一个相干驱动场通过喇 曼方式耦合到另一能级 4 8 ，4 9 1 ；或由两相邻上能级自发辐射到同一下能级这种 非相干过程而使两上能级问产生相干 2 8 ，3 0 1 。然而，上述相干和非相干耦合的方 ( a ) a 型( b ) v 型 图3a 型和v 型三能级结构 法很难实现间距较大双能级( 如碱金属原子精细结构，其间距可达几个c m 1 至 几十个c m 。1 ) 间的相干叠加。但是，通过碰撞激发这种非相干过程，可使间距较 大双能级之间产生相干，这已在四波混频 2 4 1 年i 碰撞感应额外共振 2 5 等方面进 行了理论研究，并在实验上得到了验i y 5 0 1 。最近，我们从实验上观察到钠原子 分子混合气体中基于等频混合激发和离共振碰撞感应激发而产生的钠原子 3 p i ，2 5 s ( 或4 d ) 和3 p 3 ，2 5 s ( 或4 d ) 两跃迁的相干相长 2 6 ，2 7 】，进一步论证 了通过碰撞这种非相干过程可实现问距较大的两能级问的相干叠加。 量子干涉的特性( 相长干涉或相消干涉) 不仅依赖于原子、分子的结构和 参数( 如弛豫速率，粒子布居等) ，而且依赖于外界条件( 如激光场的相对偏振方 向、实验的温度或缓冲气体的气压) 。z h u 等人对基于自发辐射两跃迁偶极矩的 第一章绪论 相对取向而产生的相干相长或相消进行了大量的研究 2 8 3 0 。最近，a g a r w a l 5 1 及m o m p a r t 5 2 等人从理论上研究了v - 型、a 型和梯形三能级系统在强激光场 祸合下，系统对弱探测场吸收的干涉特性，结果表明：探测场的吸收可视为由一 对吸收和一对色散两部分组成。色散部分对吸收的贡献可f 可负，其f 和负分别 表示干涉相长和相消。干涉特性不仅仅取决于原子的结构和参数，而且还取决于 系统的外界环境( 如消相碰撞) ，在某些条件下，碰撞可改变干涉特性。在实验 上，a k u l s h i n 5 3 年ny a m a m o t o 5 4 等人报道了在两个激光场或另一射频场作用下 相干相长的实验观察。t a m 等人从实验上观察到不同偏振方向的r a y l e i g h 散射 的干涉 5 5 1 。对不同偏振方向的双色场作用下双光子跃迁的干涉特性也进行了许 多研究，干涉的相长或相消取决于两激光场的相对偏振方向 5 6 5 8 】。基于 5 6 5 8 】 的实验研，v i a r a l a 5 9 1 和c z u b 6 0 等人研究了一个封闭菱形四能级系统中不同能 量激光场时的量子干涉效应，但他们忽略了碰撞引起的迟豫对干涉效应的影响。 最近，我们从理论和实验上研究了基于碰撞感应激发而产生的相干相长现象 2 6 2 7 ，6 1 。另外，对于量子干涉效应的理论研究基本上都集中于封闭系统。然 而，实际的原子或分子特别是激发态的原予或分子体系通常为一丌放系统，理论 研究必须计及各个能级的迟豫，从而得到与实际相符的结果。z h u 等人研究了一 个开放三能级系统的无反转激光特性 6 2 。最近，我们从理论上研究了一个开放 四能级系统中基于碰撞感应激发而产生的相长干涉 2 7 ，6 1 1 。本文继续用半经 典密度矩阵方法研究在一个含菱型的丌放五能级系统中基于碰撞感应激发而产 生的问距较大双能级间的相干及干涉相消效应。 对于量子干涉的理论研究通常有三种方法，即全量子理论、缀饰态理论和 半经典理论。在全量子理论中，忽略了与驱动场耦合的上下能级之间以及向其它 能级的辐射过程，系统总是被理想地认为制备于某一特定的初始布居上，研究在 外场作用下系统粒子数的重新分布( 女n 3 0 ，6 3 6 5 1 ) 。用缀饰态理论研究量子干 涉，不仅可以对符合量子干涉条件的特定位置的干涉特性给出明了的物理公式， 而且提供了更为清晰的物理图象，使得大多数量子干涉效应的物理解释更为简单 合理( 如f 2 8 ，6 6 6 9 1 ) 。为了考虑到各种迟豫过程以描述更为实际的情况，采用 半经典的密度矩阵方法更为方便。在半经典密度矩阵方法中，碰撞效应可唯象地 引入到系统的驰豫速率上。弹性碰撞引起相干驰豫速率的变化，而非弹性碰撞引 6 第一章绪论 起粒子数布居驰豫速率的变化。在这方面也已进行了大量的工作( 如1 5 1 6 ，1 8 ， 6 0 ，6 9 ，7 0 一7 4 1 ) 。本文将运用这三种理论研究基于碰撞这种非相干过程产生的 频域和时域内量子相干控制特性。 综上所述，对于量子相干控制效应的深入研究不仅对激光物理学、激光光 谱学和原子分子物理学的发展产生重要的影响，而且具有广泛的应用前景。人 们己对多能级系统量子相干控制效应作了许多基础研究，可以期待的是，除了会 有进一步深入的基础研究外，还将会涌现出与实际应用相结合的研究成果。 1 2 本文的工作 本文旨在从理论和实验两方面对以往较少涉及的原子及原子分子混合体系 中基于非相干碰撞而产生的频域和时域内多能级系统量子相干控制效应进行研 究，着重分析碰撞产生量子相干控制的条件及其应用等。此外，还对在不同脉冲 能量泵浦场作用下的瞬态电磁感应透明特性作了分析研究。 第二章首次报道了在钠原子一分子混合体系中基于等频混合激发和离共振碰 撞感应激发而产生的钠原子两延时跃迁3 p 5 s ( 或4 d ) 相干涉而产生的r a m s e y 条纹的实验观察，并通过测量干涉信号随外界条件( 缓冲气压和温度) 的变化关 系等进一步在实验上进行确认。同时通过求解薛定谔方程研究了碰撞引起的驰豫 速率、碰撞跃迁几率及分子原子碰撞能量转移速率等因数对干涉效应的影响， 揭示了通过碰撞这种非相干过程可实现时域内多能级系统量子相干控制。 第三章运用半经典理论首次研究了在一个含菱型的丌放五能级系统中基于 碰撞感应激发而产生的间距较大双能级间的相干及量予干涉效应。分析了碰撞引 起的相干和非相干驰豫速率、相邻两能级间距、不同跃迁偶极矩比等因数对干涉 效应的影响；揭示了通过碰撞这种非相干过程可实现间距较大双能级间的相干叠 加，从而产生量子干涉。同时运用缀饰态理论，对干涉产生的条件、干涉特性给 出明了的物理公式；对碰撞产生的相干相消给出了清晰的物理图象。并给出了可 能观察到基于碰撞感应激发而产生的钠原子两跃迁路径3 s - 3 p 1 2 5 s ( 或4 d ) 和 3 s 3 p 3 2 5 s ( 或4 d ) 相干相消的实验方案和实验条件。 第四章运用半经典理论，在考虑了探测场所有高阶项的情况下，通过求解 第一章绪论 含时密度矩阵方程研究了不同能量抽运场作用下a 型三能级系统的瞬态电磁感 应透明特性，分析了不同能量抽运场作用下弱探测场的吸收、各能级的布居及相 干项p2 3 随时间的演变关系。同时对系统产生瞬态无反转放大的物理机制进行了 分析。 第五章总结了本文的工作。 本文的工作对进一步认识频域和时域内量子相干控制的本质及运用非相干 碰撞过程研究量子相干控制将具有重要意义。 第一章绪论 参考文献： 【1 y v b a k l a n o v , b yd u b e t s k y , v pc h e b o t a y e v , a p p l e h y s 9 ，1 7 1 ( 1 9 7 6 ) 2 】j c b e r g q u i s t ，s a l e e ，j l h a l l ，p 枷r e v l e t t 3 8 ，1 5 9 ( 1 9 7 7 ) 3 】m m s a l o u r , r e v m o d p 咖5 0 ，6 6 7 ( 1 9 7 8 ) 4 】a h u b e r , b g r o s s ，m w e i t z ，tw h f i n s c h ，尸枷r e v a5 8 ，r 2 6 3 i ( 1 9 9 8 ) 5 】s c h u ，n a t u r e4 1 6 ，2 0 6 ( 2 0 0 2 ) 6 a m w e i n e r , d e l e a i r d ，g ew i e d e r r e c h t ，k a n e l s o n ，s c i e n c e2 4 7 ，1317 ( 1 9 9 0 ) 【7 7w s w a r r e n ，h r a b i t z ，m d a h l e h ，s c i e n c e2 5 9 ，1 5 8 1 ( 1 9 9 3 ) 8 】r n z a r e ，s c i e n c e2 7 9 ，18 7 5 ( 19 9 8 ) 9 9 a a s s i o ne ta 1 ，s c i e n c e2 8 2 ，9 1 9 ( 1 9 9 8 ) 【1 0 ve n g e l ，h m e t i u ，c h e m p 枷1 0 0 ，5 4 4 8 ( 1 9 9 4 ) 11 v b l a n c h e t ，c n i c o l e ，m a b o u c h e n e ，b g i r a r d ，p 伽r e v l e t t 7 8 ，2 7 1 6 ( 1 9 9 7 ) 1 2 】a b a r e n c o ，d d e u t s c h ，a e k e r t ，e h y s r e v l e t t 7 4 ，4 0 8 3 ( 1 9 9 5 ) 1 3 a ph e b e r l e ，j j b a u m b e g ，k k o h l e r , p 矗 r e v l e t t 7 5 ，2 5 9 8 ( 1 9 9 5 ) 【1 4 】n hb o n a d e oe t 口，s c i e n c e2 8 2 ，1 4 7 3 ( 1 9 9 8 ) 【1 5 o m a n d e le ta 1 ，n a t u r e4 2 5 ，9 3 7 ( 2 0 0 3 ) 【1 6 m s h a p i r oa n dp b r u m e r , j c h e m p h y s ，8 4 ，4 1 0 3 ( 1 9 8 6 ) 【17 w h k n o x ，g a m o u r o u ，a hz e w a i l ，u l t r a f a s tp h e n o m e n ai x ，i ns p r i n g e r s e r i e si nc h e m i c a lp h y i c s ，v 0 1 6 0 ，s p r i n g e r - v e r l a g ，b e r l i n ( 19 9 4 ) 18 i b u r g h a r d t ，i p r i g o g i n ea n ds a r i c e ，c h e m i c a lr e a c t i o n sa n dt h e i rc o n 仃o l o nt h ef e m t o s e c o n dt i m es c a l e ，a d v a n c e si nc h e m i c a lp h y s i c s ，v 0 1 1 0 l ，w i l e y & s o n s ，i n c ，( 1 9 9 7 ) 1 9 c k c h a n ，eb r m n e r , a n dm s h a p i r o ，j c h e m p h y s ，9 4 ，2 6 8 8 ( 1 9 9 1 ) 2 0 】d m e s h t f l a c ha n dys i l b e r b e r g ，n a t u r e ，3 9 6 ，2 3 9 ( 19 9 8 ) 【2 1 r j l e v i s ，gm m e n k i r , a n dz h r a b i t z ，s c i e n c e ，2 9 2 ，7 0 9 ( 2 0 0 1 ) 2 2 r gb e a u s o l e i l ，t wh a n s c h ，p h y s r e v a 3 3 ，1 6 6 1 ( 1 9 8 6 ) 9 第一章绪论 2 3 k b u m e t t ，r s j u l i e n n e ，r d l e t t ，e t i e s i n g a ，c j w i l l i a m s ，n a t u r e4 1 6 ，2 2 5 ( 2 0 0 2 ) 2 4 n b l o e m b e r g e n ，l a s e r 印e c t r o s c o p yi v ( s p r i n g e r , b e r l i n ，1 9 7 9 ) ，p ，3 4 0 ， 2 5 】gg r y n b e r g ，er b e r m a n ，p h y s r e v a4 1 ，2 6 7 7 ( 1 9 9 0 ) 2 6 】x h y a n g ，z r s u n ，l e d i n g ，z 1 3 w a n g ，c h i n p h y s l e t t ，1 9 ，( 2 0 0 2 ) 3 3 4 2 7 】x h y a n g ，h - k x i e ，e h y s r e v a6 7 ，0 6 3 8 0 7 ( 2 0 0 3 ) 1 2 8 1c a r d i m o n ada ，r a y m e rmga n ds t r o u dj rcr1 9 8 2 工p h y s b ：a t m 0 1 p h y s 1 55 5 2 9 x i a h r ，y ec y a n d z h usy1 9 9 6 p 矗 r e v l e t t 7 71 0 3 2 【3 0 z h usy a n ds c u l l ymo1 9 9 6t h y s r e v l e t t 7 63 8 8 3 1 】b o i l e r kj ，i m a m o g l u a a n d h a r r i s s e l 9 9 1 p h y sr e v l e t t 6 6 2 5 3 9 【3 2 】h a r r i sse1 9 9 7p 矗”t o d a y5 03 6 3 3 】a l z e t t ag g o z z i n ia ，m o ila n do r r i o l sg19 7 6n u o v oc i m e n t ob3 65 3 4 a r i m o n d oe 19 9 6p r o g o p t 3 52 5 7 【3 5 】k o e h a r o v s k a y aoa1 9 9 2e h y s r e p 2 1 91 7 5 3 6 p a d m a b a n d uggw e l c hgr ，s h u b i nin ，f r yes ，n i k o n o vde ，l u k i nm d a n ds c u l l ymo19 9 6p h y s r e v l e t t 7 62 0 5 3 3 7 】k b e r g m a r m ，h t h e u e r , a n db ws h o r e ，r e v m o d p h y s 7 0 ，1 0 0 3 ( 1 9 9 8 ) 3 8 】n a r d u c c ilm