（光学专业论文）四能级介质中古斯汉欣位移的相干控制.pdf

c o h e r e n tc o n t r o lo ft h eg o o s h i i n c h e ns h i f ti na f o u r - l e v e la t o m i cm e d i u m at h e s i s s u b m i t t e d 觑p a r t i a lf u l f i l l m e n to f t h er e q u i r e m e n t f o rt h em a s t e r d e g r e ei no p t i c s b y s uj i a n i p o s t g r a d u a t ep r o g r a m c o l l e g eo fp h y s i c a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g y c e n t r a lc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r ：l ig a o - x i a n g a c a d e m i ct i t l e ：p r o f e s s o r s i g n a t u r e 丞垒! 堡： a p p r o v e d m a y 2 0 11 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的 成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作 品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律结果由本人承担。 论文作者签名： 蔼嚷啦 日期：力t 年j 月；d 日 学位论文版权使用授权说明 本人完全了解华中师范大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中师 范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密论文在解密后遵守此规定。 论文作者虢、象扫k 日期：加，年j 月；o 日 导师签名：黼 日期：d 7 ，7 年j - 月；d 日 本人已经认真阅读“c a m s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的学位论文 提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中规定享受相关权益。 回童途塞基窑唇递唇j 旦圭笙i 旦= 生i 旦三生蕉互。 论文作者签名：荔、象d k 日期：知j ，年t - 月；d 日 翩龋撷 日期：南，7 年了月弓d 日 ： 硕士擘位论丈 m a s t e r st i l e s i s 摘要 研究探测光束在不同介质中的古斯一汉欣位移是现代光学领域的热点问题之 一。本文探究了在两束强驱动光的作用下，远离共振的四能级原子系统所呈现的色 散一吸收特性。进而采用这样一个测量古斯一汉欣位移的光学模型，即一个由三层 介质组成的系统，其中间介质为远离共振的四能级原子系统，并且考察了原子介质 的色敖一吸收特性对探测光的古斯一汉欣位移的影响。在不同的失谐量的调控下， 原子介质呈现出不同的特性，并且对不同失谐量下，介质的极化率的变化规律进行 了分析，进而分析了探测光的反射和透射古斯一汉欣位移随入射角度的变化规律， 同时发现，当介质处于透明特性时，反射光和透射光的古斯一汉欣位移重合，这与 e i t 介质中透明点处的古斯一汉欣位移的变化规律一样；并且对于不同失谐量下的古 斯一汉欣位移的变化作处了比较，得出当介质处于弱吸收或弱放大特性时对探测光 的古斯汉欣位移的控制要比介质在强吸收或强放大特性下对位移的控制强，可以实 现位移的突变。并且介质在a 0 时比a 0a n d 0 ，t h eg o o s h i i n c h e nd i s p l a c e m e n t so f t h e p r o b el i g h ta r eb i g g e rt h a nt h a ti nt h ec a s e 0 h o w e v e r , w h e na 0t o 0 的情况下，如图( 口) 、( 6 1 ) 和( c 1 ) ，在0 i a 时，介质对探测光 的放大强度比吸收强度要强，介质表现为放大介质：然而，在a 0 的情况下，如图 ( 6 2 ) 和。2 ) ，在 万国。 o 范围内，介质的极化率实部 o ，当万国。 o 和 0 的情况，古斯一汉欣位移的峰值得到极大的增强，而且在入射角 度较小的时候就可以达到很大的古斯一汉欣位移：图( b ) 、( c ) 中，失谐量8 c o ，= 一2 k h z 和万功。= 一3 k h z ( 分别对应实线和虚线) ，万功= 一2 k h z 时，介质处于吸收状态， 6 缈，= 一3 k h z 时，介质处于放大状态，然而，反射光的侧向位移在这两种情况下完 全重合，由于在这两种情况下，介质的特性完全相反，因此透射光的侧向位移呈现 一正一负。( d ) 、( e ) 是当a = 一1 k h z 时，在万功l = 一0 5 k 舷周围取值，对比= l k 舷 时的位移，探测光的古斯一汉欣位移变化十分微小，介质特性完全不同的情况下， 古斯一汉欣位移几乎重合，这是由于在= l k _ h z ，z 0 ，而在在a = 一l k h z ， 0 和a 0 的情况下，当取值越大，探 测光的古斯一汉欣位移峰值越大，而且在透明区域附近对古斯一汉欣位移的控制比强 吸收或强放大特性下要灵敏，可以实现位移的突变。对比a = 一l k h z 和a = 1 k h z 的 情况，我们发现 0 时，探测光的古斯一汉欣位移对入射角度的灵敏度要比 0 时 的强。但是当我们将系统失谐量由正转变为负时，在透明点可以得到极大的古斯 一汉欣位移，而且，在小角度入射时，就能使古斯一汉欣位移时出现峰值；通过对负 的失谐量的讨论，我们可以在固定入射角度的前提下，通过改变系统失谐量的正负， 改变介质的特性，进而改变古斯一汉欣位移的正负。 以上我们讨论了在分离变量8 c o ；的控制下，探测光的古斯一汉欣位移的变化， 下面我们在固定角度入射的情况下，来探究古斯汉欣位移随连续变量万国的变化规 律。 硕士学位论交 m a s t e r st i i e s i s 2 l 要。 一l 一2 ( 口) 。- - 、。 、 ， - - - 一 、， 、 ， - 。， 0 2468l o1 21 4 缸，l ( 倍3 0 0 ) 4 2 摹。 一2 4 ( b ) ! 一一夕念 7 l 、，- _ 一，- - ，j o 2 468 1 0 1 2 1 4 舢( 船6 0 0 ) 图3 2 7一定入射角度下，古斯一汉欣位移 随连续变量万功。的变化 如图3 2 7 ，反映的是在不同厚度的介质中，不同入射角度下，反射光和透射 光的侧向位移随连续变化的失谐量万国的变化。其中图( a ) 、( b ) ，介质厚度为5 坍， 入射角度分别为3 0 。和6 0 。；在不同的入射角度下入射时，反射光和透射光的古斯一 汉欣位移的交点位置不同。在3 0 。入射时，古斯一汉欣位移的交点值为负值，而以6 0 。 入射时，古斯一汉欣位移的交点值为正值；同时古斯一汉欣位移的峰值也出现在不同 的地方；反射光在6 0 。入射时的侧向位移的幅度要比在3 0 。入射时的大；在3 0 。入射 时，透射光的侧向位移在万功| - 5 k h z 处出现突变，而在6 0 。入射时，透射光的侧向 位移在万缈l - 7 k h z 处出现突变。 3 2 2 不同介质厚度对古斯一汉欣位移的调控 上面讨论了介质厚度为d ，= 5 m 时，古斯一汉欣位移随入射角度的变化规律。 由于古斯一汉欣位移的变化不仅仅和探测光的入射角度有关，还与腔内介质的其他参 数有关，对( 2 1 2 ) 式的分析，我们知道介质极化率还和原子介质的厚度有关；下面就 来分析，在给定系统的失谐量a = 1 0 k h z 及入射角度的情况下，古斯一汉欣位移随腔 内原子介质厚度的变化规律。 2 6 冬 蓬。 冬 善 硕士擘位论炙 m a s t e r st i i e s i s i 二二|二二-i：、 1 【口j o2468 d e ( 0 = 3 0 ) 3 o 2 5 2 o 1 5 击 1 0 o 5 o 0 0 5 d 2 ( 0 = 3 0 ) d 2 ( 0 = - 3 0 ) 冬 毒 !，一一一一一一一一一一一，一，一一，i 万印= 2 ( b ) o2 468 吃( 皓6 0 。) 4 2 0 若 _ - 2 - 4 比( 0 = 6 0 ) 万国1 = 8 从? 一 龄二 j ，、一- - - - - - - _ - - ( ) o2468 d 2 ( 0 = 6 0 ) 图3 2 8 古斯汉欣位移随腔内原子介质厚度的变化 当万缈。= 2 k h z ，介质表现为较强的吸收特性，古斯一汉欣位移随原子介质厚 度的变化如图( 口) 、( 6 ) 所示，实线表示反射光的侧向位移，虚线表示透射光的侧向 2 7 5 0 5 o 5 o o 0 l l 一 一 一 基0 硕士学位论文 m a s t e r st i i e s f s 位移。护= 3 0 。时，随着介质厚度的增加，反射光的侧向位移几乎为0 ；透射光的负 向古斯一汉欣位移位移随介质厚度线性增加；然而在0 = 6 0 。时，透射光负向的侧向 随着介质厚度的增大而增大。 如图( c ) 、( d ) ，当# c o 。= 5 k h z 时，系统处于零吸收状态，反射光和透射光的侧 向位移随介质厚度有着相同的变化；当0 = 3 0 。时，侧向位移随着介质厚度的变化出 现了很有趣的变化，在某些取值，侧向位移会出现峰值，而且这些峰值随着介质厚 度的增加而增大，而在其他的取值处，侧向位移都呈现出零位移；当0 = 6 0 。时，侧 向位移的变化也是振荡的，但整体趋势是随着厚度的增加而线性增大的。 取6 c o ，= 8 k h z ，此时介质表现出较强的放大特性。当入射角分别为3 0 。和6 0 。 时，侧向位移随厚度的变化如图( e ) 、( f ) 所示，当入射角度较小时( 0 = 3 0 。) ，透 射光的古斯一汉欣位移随介质厚度的增加而正向增大；然而，当以较大的角度入射 时( 秒= 6 0 。) ，在介质厚度d ， 4 , u m 时，透射光的古斯汉欣位移 随介质厚度的增加而负向增大。 硕士擘位论炙 m a s t e r st i i e s i s 第四章总结与展望 本文主要研究了古斯一汉欣位移的变化规律以及影响古斯一汉欣位移的因素。与 以往的研究不同，选取的的介质不再是奇异结构的介质，而是选用微观的原子体系。 早期的研究都是用单一的驱动光场来控制古斯一汉欣位移，而本文采用两束驱动光 来共同控制原子系统，在两个驱动场与介质的相互作用下，介质呈现出不同的特性。 由于这两个驱动光场对介质所产生的影响是不同的，一部分使介质呈现吸收的 特性，另一部分使介质呈现放大的特性，所以我们选取恰当的参数时，介质会出现 多种特性，其中，当两个驱动场的参数相同时，出现了介质放大特性和吸收特性的 最大抵消，即极化率的虚部为零；通过计算可知，古斯一汉欣位移的变化是由于介 质的特性。 本文在互相抵消的情形下，通过对失谐量的不同取值，研究了介质在不同特性 下，探测光的古斯一汉欣位移随入射角度的变化；并且得出介质在弱吸收和弱放大 特性时对古斯一汉欣位移的控制要比介质在强吸收或强放大特性下对位移的控制 强，可以实现位移的突变；当系统失谐量取为负值时，通过这种情况的分析，我们 将可以通过调节系统失谐量的正负，在小角度入射时，就能使古斯一汉欣位移时出 现峰值；也可以在固定入射角度的前提下，改变古斯一汉欣位移的正负。同时研究 了古斯一汉欣位移介质厚度以及失谐量的变化，通过对侧向位移的数值分析，很明 显的得出，在分别满足两个共振条件下，反射光的古斯一汉欣位移呈现出对称的情 形，同时，我们发现侧向位移值的数量级较之前的研究有所增大。 通过对古斯一汉欣位移的研究，我们找到了增大侧向位移的方法，而且也实现 了侧向位移的增大和控制，而且通过古斯汉欣位移的测量，可以反过来得到薄膜介 质的厚度以及介质的特性。但是，我们的分析仅仅是比较位移的正负即幅度变化， 而几乎没有对位移数值大小的变化进行系统的研究，所以希望可以进一步对古斯一 汉欣位移数值的大小做一些研究；而且我们的是通过对介质的吸收和色散的整体特 性来控制古斯汉欣位移的，而没有单一讨论色散或是吸收对古斯一汉欣位移的影响。 硕士学位论交 m a s t e r st i i e s i s 参考文献 【1 】f g o o sa n dh h a n c h e n ，a n n p h y s 1 , 3 3 3 ( 19 4 7 ) 【2 】f g o o sa n dh h 冱n c h e n ，a n n p h y s 5 ，2 5l ( 19 4 9 ) 3 】c e l i ，p h y s r e v l e t t 9 1 ，13 3 9 0 3 ( 2 0 0 3 ) 【4 】k a r t m a n n ，a n n p h y s 2 ，8 7 ( 1 9 4 8 ) ；a m s t e i n b e r ga n dr y c h i a o ， p h y s r e v a4 9 ，3 2 8 3 ( 19 9 4 ) 【5 】h m l a ia n ds w c h a n ，o p t l e t t 2 7 ，6 8 0 ( 2 0 0 2 ) 【6 】w j w i l da n dc l g i l e s ，p h y s r e v a2 5 ，2 0 0 9 ( 19 8 2 ) 7 】j l b i r m a n ，d n p a t t a n a y a k ，a n da p u r i ，p h y s r e v l e t t 5 0 ，16 6 4 ( 19 8 3 ) 8 】e p f l e g h a a r , a m a r s e i l l e ，a n da w e i s ，p h y s r e v l e t t 7 0 ，2 2 81 ( 19 9 3 ) 【9 】h m l a ia n ds w c h a n ，0 p t l e t t 2 7 ，6 8 0 ( 2 0 0 2 ) 【10 】p r e r m a n ，p h y s r e v e6 6 ，0 6 7 6 0 3 ( 2 0 0 2 ) 【l l 】y x a n c h e n ，a n dc f l i ，p h y s l e t t a 3 6 1 ，1 7 8 ( 2 0 0 7 ) 【1 2 】m o s c u a l l y , p h y s l e t t 6 7 ，1 8 5 5 ( 1 9 9 1 ) 【1 3 】l g w a n g ，m i k r a m ，a n dm s z u b a i r y , p h y s r e v a7 7 ，0 2 3 8 1l ( 2 0 0 8 ) 【1 4 z i a u d d i n ，s q a m a r , a n dm s z u b a i r y , p h y s r e v a8 1 ，0 2 3 8 2 1 ( 2 0 0 7 ) 【1 5 】h k v l o t s c h ，o p t i k 3 2 ，1 1 6 ( 1 9 7 0 ) ；3 2 ，1 8 9 ( 1 9 7 0 ) ；3 2 ，2 9 9 ( 1 9 7 1 ) ； 3 2 ，5 5 3 ( 1 9 7 1 ) 【1 6 】郭硕鸿，电动力学( 第二版) ，科学出版社，1 9 9 7 【l7 】k j b o i l e r , a i m a m o g l u ，a n ds e h a r r i s ，p h y s r e v l e t t 6 6 ， 2 5 9 3 2 5 9 6 ( 1 9 9 1 ) 【1 8 】彭金生，李高翔，近代量子光学导论，科学出版社，1 9 9 6 【1 9 】赵建林，高等光学，国防工业出版社，2 0 0 3 【2 0 】m f l e i s c h h a u e r , c h k e i t e l ，m o s c u l l y ，a n dc s u ，o p t c o m m u n 8 7 ，10 9 ( 1 9 9 2 ) ；m o s c u l l ya n ds - y z h u ，i b i d 8 7 ，1 3 4 ( 1 9 9 2 ) ；s s u l t a n aa n d m s z u b a i r y , p h y s r e v a4 9 ，4 3 8 ( 19 9 4 ) ；o k o c h a r o v s k a y a , p m a n d e l ，a n d m o s c u l l y ，p h y s r e v l e t t 7 4 ，2 4 51 ( 19 9 5 ) ；a s z i b r o v ，m d l u k i n ， l h o l i b e r g ，d e n i k o n o v ，m 0 s c u l l y , h g r o b i n s o n ，a n d v l v e l i c h a n s k y , i b i d 7 6 ，3 9 3 5 ( 19 9 6 ) ；s e h a r r i s ，p h y s t o d a y 5 0 ，3 6 ( 1 9 9 7 ) 石毵士擘位论丈 m a s t e r st l i e s i s 【21 】z q u a n g a n dh f r e e d h o f f , p h y s r e v a4 8 ，3 216 ( 19 9 3 ) 【2 2 】姚启钧，光学，高等教育出版社，2 0 0 9 【2 3 】e d 6p e l ，j m o d o p t 3 7 ，2 3 7 ( 19 9 0 ) ；o f s i d d i q u i ，m m o j a h e d i ， a n dg v e l e f l h e r i a d e s ，i e e et r a n s a n t e n n a sp r o p a g 5 1 ，2 6 19 ( 2 0 0 3 ) 【2 4 】s e h a r r i s ，o p t l e t t 1 9 ，2 018 ( 19 9 4 ) 2 5 】s e h a r r i sa n da v s o k o l o v , p h y s r e v a5 5 ，4 0 1 9 ( r ) ( 1 9 9 7 ) 【2 6 】d d y a v u z ，s e h a r r i sa n da v s o k o l o v , p h y s r e v l e t t 8 4 ，7 5 ( 2 0 0 0 ) 【2 7 】d d y a v u z ，p h y s r e v l e t t 9 5 ，2 2 3 6 0 1 ( 2 0 0 5 ) 【2 8 】m o s c u l l y ，m s z u b a i r y , q u a n t u m _ o p t i c s ，19 9 7 【2 9 】s e h a r r i s ，p h y s t o d a y5 0 ，n o 7 ，3 6 ( 19 9 7 ) 【3 0 】m f l e i s c h h a u e r , c h k e i t e l ，m o s c u l l y , c s u ，b t u l r i c h ，a n ds y z h u ，p h y s r e v a 4 6 ，1 4 6 8 ( 1 9 9 2 ) 【3l 】u r a t h e ，m f l e i s c h h a u e r , s y z h u ，t w h a n s c h ，a n dm o s c u l l y , p h y s r e v a4 7 ，4 9 9 4 ( 19 9 3 ) 【3 2 】a s z i b r o v , m d l u k i n ，l h o l l b e r g ，d e n i k o n o v ，m o s c u l l y ， h g r o b i n s o n ，a n dv l v e l i c h a n s k y , p h y s r e v l e t t 7 6 ，3 9 3 5 ( 19 9 6 ) 【3 3 】b o y d ，n o n l i n e a ro p t i c s ，北京世界图书出版公司( 2 0 0 5 ) 【3 4 】j p i c h t ，a n n p h y s 3 ，4 3 3 ( 19 2 9 ) 【3 5 】l g w a n ga n ds y z h u ，o p t l e t t 3 1 ，10 1 ( 2 0 0 6 ) 【3 6 】l g w a n g ，h c h e n ，a n ds y ：z h u ，o p t l e t t 3 0 ，2 9 3 6 ( 2 0 0 5 ) 37 】m s a h r a i ，h t a j a l l i ，k t k a p a l e ，a n dm s u h a i lz u b a i r y ， p h y s r e v a 7 0 ，0 2 38 13 ( 2 0 0 4 ) 【3 8 】g s a g a r w a la n ds d a s g u p t a ，p h y s r e v a7 0 ，0 2 3 8 0 2 ( 2 0 0 4 ) 3 9 】n a p r o i t e ，b e u n k s ，j t g r e e n ，a n dd d y a v u z ，p h y s r e , l e a 1 0 1 ，1 4 7 4 0 1 【4 0 】j