基于涡旋光诱导的量子光学效应的调控

发布时间：2020-11-17 12:15

　　 涡旋场自1992年被提出以来,就受到了人们的普遍关注。涡旋场波前相位中包含与轨道角动量相关的螺旋相位因子,使其可以被应用在量子存储,量子信息领域中。本文在光与物质相互作用的过程中考虑了涡旋光场的影响,研究了在涡旋场的作用下,电磁诱导透明,四波混频等经典量子光学效应所产生的新奇的现象。论文基本概况如下:首先,我们利用涡旋光作为控制场与~(87)Rb原子相互作用。在三能级的原子系统中,我们基于空间电磁诱导透明效应,提出了一种产生新型结构光的方案。所产生的结构光可以由耦合场控制。由于拉盖尔‐高斯场和恒定耦合场诱导的联合量子干涉的作用,不同的空间依赖光束可以通过测量介质对光的探测吸收来得到。这个方法可能在光学和新奇的量子技术方面有着潜在的应用。接下来,我们研究了在四能级的原子系统中,通过四波混频过程产生涡旋调制的现象。将涡旋场引入到四波混频过程中,与原子相互作用的涡旋场作为耦合场,利用四波混频过程,涡旋光的螺旋相位被有效的传递到了产生的四波混频场中,并且通过改变探测场的失谐,产生的四波混频场的螺旋相位也发生改变。利用色散关系,我们详细的解释了这个现象。我们还研究了产生的四波混频场与高斯场的干涉图样,将相位调制现象呈现在了更利于实验观察的光强分布上。这个研究也许能够为探索基于轨道角动量的量子光学和量子信息技术提供帮助。最后,我们研究了在半导体量子阱介质中,通过四波混频过程产生涡旋光场的方法。通过改变探测场失谐和控制场失谐,我们可以有效地调制产生的四波混频场的相位和强度。我们发现当探测场和控制场失谐相等时,介质的吸收和色散都被有效的抑制。同时四波混频的转换效率也达到最大,最大的四波混频转换效率为50%。这个过程将涡旋场的螺旋波前从输入光传递到了输出光,可能会应用到固态量子光学和量子信息过程中。
【学位单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：O431.2
【部分图文】：

安徽大学硕士学位论文5第二章理论基础在量子光学效应的研究中，最重要的一步就是研究光场与原子之间的相互作用。光场与原子的相互作用一般可以通过三种理论方法来处理，这三种方法分别是经典理论，半经典理论和全量子理论。在经典理论中，光场被看作是满足麦克斯韦理论的经典的电磁场，光场与原子相互作用过程主要通过麦克斯韦方程与牛顿力学等理论分析。在半经典理论中，通常只对原子进行量子化处理，将原子看作量子化的能级结构，其满足薛定谔方程。光场依然用麦克斯韦经典电磁理论处理不进行量子化处理。在全量子理论中，光场和原子都要被进行量子化处理，都需要满足薛定谔方程。在本文中，我们应用了光场与原子相互作用的半经典理论来研究和分析本文中的理论模型。在本章中我们以三能级Λ型原子系统为例子，详细介绍了光与原子相互作用的半经典理论，并简单介绍了电磁诱导透明效应(EIT)和四波混频(FWM)现象以及拉盖尔-高斯(LG)光的基本性质。2.1光与原子相互作用的半经典理论图2.1三能级Λ型原子系统能级图我们考虑如图2.1所示的三能级Λ型原子系统，能级0，1是系统的基态,能级2是系统的激发态。振幅为pE，频率为p的探测场驱动能级02之间的跃迁，能级12之间的跃迁由振幅为cE，频率为c的控制场驱动。p为探测场的失谐量，c为控制场的失谐量。0，1，和2分别为能级0，1和2的本征频率。在半经典理论下，原子能级的哈密顿量可以表示为

安徽大学硕士学位论文11202=ppccpcpiiii(2.24)根据极化强度的定义，探测场的极化率可以表示为220200=2PN(2.25)将等式(2.24)代入到等式(2.25)中，我们得到探测场的极化率为22020=2pccpcpNiiii(2.26)其中N为原子数密度，0是真空中的介电常数。到此，我们得出了探测场的极化率，极化率的实部和虚部分别代表了原子介质的色散性质及原子介质对光场的吸收，为了更加清楚的分析色散和吸收性质，我们画出了色散和吸收与探测场的失谐p的关系。图2.2原子介质的色散和吸收与探测场失谐的关系根据图2.2我们看到，在共振情况附近，极化率的虚部为零，出现了一个透明窗口区域，在这个区域内，我们看到原子介质对探测场没有吸收，也就是探测场可以无损耗的通过原子介质，原子介质在强相干场的作用下完全透明并且原子介质表现出共振附近陡峭的正常色散，这个现象就是电磁诱导透明。电磁诱导透明产生的原因是量子干涉，当原子介质与强耦合场和弱探测场发生相互作用时，原子能级之间产生双向相干，原子介质对光场的吸收被抵消，从而出现透明现象。

第二章理论基础122.3四波混频在量子光学领域中，被人们广泛应用的量子光学效应除了电磁诱导透明效应还有四波混频效应。四波混频是一个三阶非线性过程，由三阶非线性极化产生。它是在非线性介质中输入三个不同频率和波矢的光并产生第四个相干光的过程，而且这四个相干光在非线性介质中相互作用。相位匹配条件是四波混频过程中最重要的一个条件。当满足相位匹配条件时，产生的输出光的强度会被大大增强。满足相位匹配条件的方式需要多种因素决定，包括输入的泵浦光的传输方向，实际的实验条件以及最佳作用长度和空间分辨率。在这里，我们简单介绍四波混频的相互作用方式。四波混频的相互作用的方式一般可分为以下三种类型，第一类为三个泵浦光场相互作用产生一个输出光的情况，第二类为输出光场与其中一个泵浦光场具有相同的模式的情况，第三类为后向参量放大和振荡的情况。图2.3四波混频中的三种作用方式a)三个泵浦光相互作用产生一个输出光的情况在这个情况下，泵浦光的频率是a，b，c，产生的输出光的频率是f，这种相互作用方式的四波混频效应是最基本的三阶非线性效应。b)输出光与其中一个泵浦光具有相同的模式的情况
【参考文献】

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1 高明伟,高春清,何晓燕,李家泽,魏光辉;利用具有轨道角动量的光束实现微粒的旋转[J];物理学报;2004年02期

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2 周志远;轨道角动量光的频率变换及在量子信息中的应用[D];中国科学技术大学;2015年

本文编号：2887486