多普勒展宽下里德堡原子系综的光学双稳现象

发布时间：2020-07-12 16:00

【摘要】：在量子光学领域,原子与场相互作用所导致的量子相干和量子干涉效应可以产生很多有趣的光学现象。如电磁诱导透明(EIT)、相干粒子数囚禁(CPT)、光学双稳(OB)、无反转激光(LWI)等。其中,光学双稳现象由于在超快全光开关、光学晶体管和光学存储等方面的应用,使其在实验和理论上被广泛的研究。随着关于光学双稳研究的不断深入,光学双稳现象的实现机制也一直不断地被拓展。最近十几年,光学双稳的研究已经被拓展到里德堡原子系统当中。由于里德堡原子具有比较大的主量子数,因此展现出许多区别于普通原子的特殊性质,比如较大的电偶极矩、超长的能级寿命、里德态间的偶极-偶极相互的作用所导致的偶极封锁效应等。我们可以利用里德堡原子的特殊性质在量子多体物理领域实现对非平衡相变的研究;在量子信息处理方面实现单光子的存储;还可以实现量子纠缠和量子计算等。这些特殊性质也使得在里德堡原子相关的系统中实现光学双稳现象成为可能。近年来,光学双稳现象在超冷里德堡原子中已经被广泛研究,但是有限温度所带来的影响都没有被考虑在内。众所周知,当原子系统有温度时就会使原子产生热运动,而原子的热运动导致的多普勒效应就会影响原子系统的光学响应,此时多普勒效应所带来的影响是不能被忽略的。因此在本论文中,我们结合麦克斯韦分布的多普勒效应,首先拓展了二能级里德堡原子系综的光学双稳理论,主要探究由原子热运动所导致的多普勒效应对里德堡原子系综的光学双稳现象的影响。我们采用平均场理论来处理里德堡原子间的偶极-偶极相互作用,然后将温度的影响考虑进去。为了能够准确的考虑多普勒效应对里德堡原子系综稳态光学响应的影响,我们不能仅对里德堡布居进行简单的积分,而是要把基于平均里德堡布居的平均范德瓦斯势的影响考虑进去,为了解决这一困难我们采用了数值渐进迭代的方法来求多普勒效应影响下的最终的里德堡布居。最终通过数值分析我们发现,对于固定的激光频率和范德瓦尔斯势,双稳区域的宽度会随着温度的增加而减小;直到温度到达一定的临界值,原子的热运动会破坏掉双稳现象。此外,我们还发现双稳消失的温度和范德瓦尔斯势的大小是直接相关的。然后我们进一步考虑了一个三能级梯形原子结构,在单光子大失谐和双光子共振的条件下,此三能级结构可以绝热消除为一个等效的二能级结构。利用这样一个双光子的激发结构可以达到部分消除多普勒效应的效果,从而提高双稳现象对多普勒效应的鲁棒性。
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O431.2
【图文】：

光学双稳,法布里-珀罗腔,非线性介质,图像

图 1.1 法布里-珀罗腔。该图引自文献[18]。然后沿着 A→O 改变。这样 ABCD 区域内就形成了依赖于方向的以滞学双稳现象。光学介质的双稳和多稳特性在非线性光学[19]、量子光学等[20-23]领域中用。在最初对光学双稳的研究当中，研究者在理论上大多采用光学腔之间相互作用[4-6]的机制来实现光学双稳，这种机制就会使原子表现出，进而导致光腔的输出光强表现出非线性的光学双稳的特殊性质。这能够实现光学双稳提供了依据。随后，人们又将非线性光学性质的研原子介质系统当中。在光较弱的情况下，多能级原子介质和光腔组成现出较强的非线性，而且通过选择合适的耦合场可以使光学双稳态的。这种多能级系统下的光学双稳所表现出的较强的非线性效应使其在许多方面都展现出了巨大的应用潜力。目前人们已经实现了对色散型光学双稳态的研究。正是由于光学双稳在很多光学元器件中都存在

法布里-珀罗腔,光学双稳

图 1.1 法布里-珀罗腔。该图引自文献[18]。沿着 A→O 改变。这样 ABCD 区域内就形成了依赖于方向的以滞后回双稳现象。学介质的双稳和多稳特性在非线性光学[19]、量子光学等[20-23]领域中也存。在最初对光学双稳的研究当中，研究者在理论上大多采用光学腔场与间相互作用[4-6]的机制来实现光学双稳，这种机制就会使原子表现出非线而导致光腔的输出光强表现出非线性的光学双稳的特殊性质。这为研够实现光学双稳提供了依据。随后，人们又将非线性光学性质的研究拓子介质系统当中。在光较弱的情况下，多能级原子介质和光腔组成的光出较强的非线性，而且通过选择合适的耦合场可以使光学双稳态的阈值种多能级系统下的光学双稳所表现出的较强的非线性效应使其在量子多方面都展现出了巨大的应用潜力。目前人们已经实现了对色散型、吸光学双稳态的研究。正是由于光学双稳在很多光学元器件中都存在着巨

示意图,双原子,单原子,能级结构

总和延伸到两个原子的所有内部状态。当仅包含两个相邻原子状态时，可以将偶互作用进行简单的分析。由于这些状态之间的偶极子矩阵元素是最大的，所以以的分析是合理的，这就导致了如图 2.1 所示的三原子能级的子系统。接下来，最居态记为 p ，两个偶极耦合态为 s 和 s '。当考虑双原子态时， pp , ss '和 s量几乎是兼并的，能级间隙为。对于矩阵成分为 pers 1 , '2pers 的，其哈密顿量可以写为： 0312312intRRHHHA (2.1.合系统的本征能量为：2312222RE (2.1.

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