Doppler展宽介质中慢光传播特性研究

论文摘要

电磁诱导透明（electromagnetically induced transparency,简称EIT）现象的发现标志着人们对主动光学介质的研究与应用进入了新时代。虽然在此之前人们早已意识到利用主动介质可以显著增强介质的光学响应,但由于在主动介质中光与物质（原子、分子等）发生共振相互作用,导致介质对光的强烈吸收,所以人们一直认为利用主动光学介质实现增强的光学响应是不切实际的。EIT现象的基本原理是通过引入外加控制光场相干地制备多能级原子、分子等的量子态,以实现探测光场激发路径间的量子相消干涉,从而大大消除介质对探测光场的吸收；同时,由于共振相互作用介质对探测光场的线性和非线性响应显著增强。EIT所具有的独特性质为人们调控介质的线性和非线性光学效应开辟了崭新的途径：（i）.利用EIT可主动调控光场的群速度,使其减慢甚至停止,这在制作新型光学延迟器件、实现量子存储、设计量子通信器件等方面有重要的应用；（ii）利用EIT得到的显著增强的非线性光学效应,可实现少光子多波混频、量子相位门、量子无损测量、弱光超慢光孤子等,从而为研究弱光强、少光子数甚至单光子水平下非线性光学效应开创了新方向。EIT的研究展示了强大的生命力和重要的应用前景,它给人们带来的惊喜与收获比当初的预期要多得多。尽管EIT理论及其应用的探索已有二十余年,但有关研究仍然十分活跃,发展势头强劲。当前,如何具体实现基于EIT效应的各种新型光学器件引起了人们极大的关注。但是,从现有的情况来看,人们对现实的热原子系统中的EIT、受限系统（微型波导、微型腔等）中的EIT等具有较强应用背景的研究还不多或不够深入；许多（特别是具有重要实际应用背景）的课题需要从理论上开展前期的探索性研究,有些原有的理论处理也需要进一步发展与完善。EIT研究的一个重要课题是在有关介质中实现稳定传播的光孤子及其在光与量子信息处理和传输方面的应用。但由于光孤子实现条件较为苛刻,以往的理论方案对光孤子可操控性的研究尚不具体,有待在理论上开展进一步的探索。本文基于光和介质相互作用的半经典理论,通过引入和发展非线性波动理论中的奇异摄动理论,特别是多重尺度方法,对热原子系统和微型波导内的EIT系统中光的线性和非线性传播性质进行了深入和系统的研究；另外,对如何通过使用外加微波场来调节、优化EIT介质中超慢光孤子的传播也进行了深入的探索。本文的主要工作包括以下几个方面：1.EIT条件下Doppler展宽介质中的线性与非线性光传播研究。我们从具有内部自由度的Boltzmann方程出发,导出了热原子系统所满足的Maxwell-Bloch方程组,利用该方程组深入讨论了体系的线性光学性质。我们考虑了两底能级的非相干粒子数交换效应所带来的后果。首先,通过对探测场谱线线宽的详细严格计算,给出了体系中发生EIT的新判据,即|Ωc|2-Υ31>>2Υ21△ω2D,此处Ωc是控制场的半Rabi频率,△ωD是Doppler宽度,Υjl是原子态|j>与|l>之间的衰变率。在此条件下非相干粒子数交换效应可以忽略,而退相（dephasing）成为体系消相干的主要因素。研究表明,以前国际上的几个研究小组所给出的EIT产生条件或者不合理、或者是我们所得结果的特例,从而澄清了长期以来的有关争议。其次,进一步发展了求解Maxwell-Bloch方程的奇异微扰理论,并由此对有非均匀展宽介质中的Kerr非线性及弱非线性光波的传播进行了研究。结果表明,在Doppler展宽情况下体系的Kerr非线性效应仍可得到很大的增强。另外,我们还探讨了热原子系统中实现稳定的超慢光孤子的可能性,推导出探测光场所满足的非线性包络方程,得到了孤子解；所得到的时间光孤子具有超慢的传播速度和很低的产生功率。2.微型波导内原子系统中的EIT现象与增强的非线性光学响应研究。我们建立了分析受限系统中多原子体系光学性质的理论处理方案；基于该方案对系统的线性和非线性光学性质进行了深入的理论分析。在有关系统线性光学性质的讨论中,我们分析了微型波导对光的有效光强的增强作用,并提出了在微型波导内原子系统发生EIT现象的条件,即|Ωc|=2》Υ21Υ3/ρ,此处ρ是表征波导对有效光强度增强大小的数值因子。我们的结果显示,两底能级的非相干粒子数交换效应使得EIT窗口深度较非受限体系更宽、更深。研究结果还显示,当入射光模式频率与原子跃迁频率相近时,系统的光学响应对波导尺寸的变化非常敏感。在有关非线性光学性质的讨论中,我们的分析还表明,在线性响应强度基本相同的情况下,微型波导内EIT系统的非线性响应较自由空间情形有显著增强。3.外加微波场对EIT系统中弱光超慢光孤子的优化和调控作用的研究。利用多重尺度方法,我们导出了探测光脉冲包络函数满足的包含线性色散、高阶色散和非线性效应的高阶非线性薛定谔方程,并通过使用孤子微扰理论分析了高阶效应和外加微波场对体系中光孤子的影响。对探测光线性传播的分析表明,外加微波场不改变光场的线性传播特性,但对系统贡献一直流项,即ΩcΩm/d21,此处Ωm是微波场的半Rabi频率。在有关探测光非线性传播的分析中,研究结果表明该直流项对系统中超慢光孤子的传播性质有明显的影响；通过调节外加微波场的强度,可对光孤子的传播速度进行调控,控幅可达到群速度的30%。结果还显示,外加微波场也能有效地抑制光孤子传播过程中产生的频率下移,从而可用于对超慢光孤子的优化设计。上述研究结果不仅对于EIT系统中线性和非线性光学理论的发展与完善具有重要意义,而且对基于EIT效应的新型光学器件的研制和弱光条件下光与量子信息的处理和传输也有潜在的应用价值。

论文目录

• 论文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 量子干涉效应和电磁诱导透明（EIT）现象
• 1.3 电磁诱导透明效应的研究进展
• 1.3.1 光的群速度减慢和光囚禁
• 1.3.2 增强的非线性光学效应
• 1.3.3 弱光超慢光孤子的形成和传播
• 1.3.4 多普勒（Doppler）展宽下的EIT现象
• 1.3.5 某些其它系统中的EIT现象
• 1.4 主动拉曼增益（ARG）系统中的研究进展
• 1.5 本文主要内容
• 第2章 光和相干原子介质相互作用的半经典理论和渐近分析方法
• 2.1 光和冷原子介质相互作用的一般理论
• 2.2 三能级原子系统中的EIT现象
• 2.3 渐近分析方法和光在EIT介质中的传播
• 2.4 热原子系统中的Doppler展宽现象
• 2.5 本章小结
• 第3章 Doppler展宽介质中的EIT现象和光的线性和非线性传播
• 3.1 引言
• 3.2 光和Doppler展宽介质相互作用的一般理论
• 3.3 模型和线性光学性质
• 3.3.1 模型介绍和基态分析
• 3.3.2 线性色散关系
• 3.4 非线性光学性质和弱光超慢光孤子
• 3.4.1 介质的Kerr非线性响应
• 3.4.2 渐近分析和非线性包络方程
• 3.4.3 弱光超慢光孤子
• 3.5 Doppler展宽介质中的弱光空间孤子
• 3.6 讨论和总结
• 第4章 微型波导内原子介质中的EIT现象和增强的非线性光学响应
• 4.1 引言
• 4.2 模型和理论处理方案
• 4.2.1 波导模型介绍
• 4.2.2 波导内多原子系统的理论处理
• 4.3 线性光学性质和对尺寸变化敏感的EIT响应
• 4.4 增强的非线性光学响应
• 4.5 讨论和总结
• 第5章 外加微波场对EIT介质中弱光超慢光孤子的调控
• 5.1 引言
• 5.2 模型和非线性包络方程
• 5.2.1 模型介绍和分析
• 5.2.2 渐近分析和高阶非线性薛定谔方程
• 5.3 微波场调控下的弱光超慢光孤子的传播
• 5.3.1 对高阶非线性包络方程的分析
• 5.3.2 孤子微扰理论和微波场对光孤子的调控作用
• 5.4 讨论和总结
• 第6章 总结和展望
• 6.1 研究工作总结
• 6.2 拟展开的进一步工作
• 附录A 第三章中一些表达式的具体形式
• 附录B 第五章中渐近分析推导过程和一些表达式的具体形式
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢