非均匀展宽介质中电磁感应透明到Aulter-Townes分裂渡越及光的传播特性研究

发布时间：2017-05-17 23:02

  本文关键词：非均匀展宽介质中电磁感应透明到Aulter-Townes分裂渡越及光的传播特性研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,人们在多能级系统中发现了若干量子干涉效应,其中最典型的例子是电磁感应透明(electromagnetically induced transparency,简称EIT)。EIT的研究不仅对于基础物理原理的探索非常重要,而且具有十分重大的应用价值。比如,利用EIT可实现无粒子数反转激光、相干粒子数交换、Kerr非线性增强、慢光与量子存储等,从而可为精密光谱科学与技术、量子计算与量子信息、量子调控与精密测量等提供有效的技术支持。所谓EIT是指利用控制光场诱导的量子相消干涉效应使探测光场的吸收谱从单峰变为双峰,即在吸收谱中打开一个透明窗口,从而可使探测光场无损耗地通过共振吸收介质；同时,EIT效应还可显著改变体系的色散和极大地增强体系的非线性光学效应。EIT的发现开辟了弱光条件下强非线性光学研究的新领域,许多与此有关的新效应和新现象不断被人们发现并在实验上予以证实。EIT体系的吸收谱线形与源于Autler-Townes分裂(Autler-Townes split-ting简称ATS)效应所导致的吸收谱线形有些相似,即在吸收谱共振频率附近都有透明窗口产生,但二者物理机制存在很大的差别。与EIT不同,ATS的物理本质是交流Stark效应,即粒子的能级结构在外加光场作用下发生改变,从而使光吸收谱的轮廓呈现为两个对称的洛伦兹峰的形式。ATS现象自发现至今已被广泛的应用于原子分子光谱探测等领域。由于吸收谱中透明窗口的出现并不能简单地告诉人们所观察到的谱线是属于EIT还是属于ATS,多年来在该领域的研究中造成了对有关现象认识(包括实验上难以辩认,理论或理解上令人困惑)混乱的局面。通常人们对二者的实验判别一般依赖于经验,在理论上也只做某些定性的分析。此外,对于EIT的研究,因为常用的A型、V型及梯(ladder)型三能级系统具有类似的几何拓扑性质,且理论处理方法也类似,所以人们认为这些系统中量子干涉效应的机理应该是相同的。随着实验研究的进步和理论探索的深入,人们逐渐意识到不同体系的量子干涉效应在本质上是存在区别的,但至今在理论认识上仍然存在许多分歧。由于量子干涉效应在理论上的重要意义和应用上的诱人前景,亟需对若干典型系统中的EIT及EIT和ATS之间的区别与联系进行系统深入的理论分析、澄清有关概念并解释有关实验结果。另一方面,由于实际应用的需要,人们必须考虑在室温下原子、分子或固体材料中的量子干涉效应。对于这类系统,许多消相干因素(如非均匀展宽)的影响是不可忽略的。实验研究表明,这些因素的存在会引起量子干涉效应特性的重大改变。然而,至今这类系统中量子干涉效应的理论研究还不多或不够深入,有关实验现象还亟待理论解释。本文的主要目的是,基于有关实验结果与理论进展建立发展研究各种条件(特别是室温条件)下EIT效应的理论方法；借助该方法对Λ型、V型及梯型等系统中的量子干涉效应进行全面系统的理论分析,并明确地提出EIT-ATS渡越(EIT-ATS crossover)的概念。本文的主要研究结果包括以下几个方面：1.开放非均匀展宽A型分子系统中的EIT-ATS渡越现象及光脉冲线性与非线性传播特性的研究。首先,使用留数定理和光谱分解法(spectrum-decomposition method)证明在线性情况下探测光场与控制光场同向传播时体系存在EIT-ATS渡越,而在探测光场与控制光场反向传播时不存在EIT,因此也就没有EIT-ATS渡越现象发生；其次,将有关结果与超冷条件下体系的量子干涉效应性质做了详细比较,所得理论计算结果与近期报道的实验结果相一致。最后,研究了该EIT体系中的非线性脉冲传播。应用多重尺度技术,导出了探测光脉冲在室温条件下传播所满足的非线性包络方程。研究表明,在开放A型分子系统中可以实现稳定传播的超慢光孤子。该研究所得理论结果对探索分子系统中量子干涉效应的实验研究具有理论指导意义,并在相干分子光谱学、精密光谱测量、分子量子态操控和非线性脉冲传播等领域具有潜在应用价值。2.开放非均匀展宽V型分子系统中的EIT, ATS及EIT-ATS渡越现象的研究。首先,使用光谱分解法系统地分析了V型热分子系统中探测光脉冲的吸收谱特性。研究表明在探测光与控制光同向传播时体系存在EIT效应,同时也存在EIT-ATS渡越。这一结论颠覆了以往人们对V型系统中量子干涉效应的认识。因为之前的理论认为V型冷分子系统不存在EIT及EIT-ATS渡越；其次,研究了探测光与控制光反向传播的的情况,结果表明在这种情形下也可产生EIT。我们的研究还澄清了该系统中光学烧孔与饱和吸收的作用。该研究所得理论结论不仅很好的解释了近期报道的有关实验结果,而且对深入理解非均匀展宽系统中量子干涉效应特性和用于选取或确定相干分子实验参数等都有较重要的意义。3.开放非均匀展宽梯型系统中的EIT-ATS渡越现象的研究。在该研究中进一步发展了光谱分解法,以清晰统一的方式分析比较了梯型(梯形-Ⅰ和梯形-Ⅱ)系统中EIT、ATS及EIT-ATS渡越等诸多现象的物理机制。研究结果证明当波数比kp/kc≈1时(kp与kc。分别为探测光与控制光的波数),梯形-Ⅰ型和梯形-Ⅱ型系统中都有EIT现象存在；当梯形-Ⅰ型系统波数比kp/kc不等于-1且顶能级为里德堡态时,体系中可以存在EIT但ATS遭到破坏,且透明窗口附近有增强吸收现象出现；对于梯形-Ⅱ型系统,如果系统中耦合两个低能级的控制光为微波场,则该系统中存在ATS但不可能存在EIT。该研究提出的有关理论分析方法适用于多种物理条件下梯型系统(包括热原子、热分子及热里德堡原子气体等),所得理论结果与迄今为止报道的相应实验结果相吻合,并在原子分子光谱精密探测、里德堡原子研究等领域具有一定的应用价值。此外,我们还研究了如何在非均匀展宽介质中利用相干增益机制补偿负折射率超颖材料(negative index metamaterial,简称NIMM)表面极化激元(surface polaritons)的欧姆损耗,从而实现表面极化激元的线性及非线性稳定传播。具体研究结果如下：4.研究了室温下两能级量子发射体掺杂在电介质-NIMM界面上时体系的相干粒子数振荡和表面极化激元的传播。研究表明,在掺杂两能级量子发射体未达到饱和吸收时,表面极化激元传播时的欧姆损耗可由量子发射体提供的相干增益进行补偿,从而实现其稳定的超光速传播。研究还表明基于非相干粒子数振荡和电介质-NIMM界面附近光场的囚禁增强效应,体系克尔非线性效应可得到极大地增强,从而在该系统中可以激发出稳定的表面极化激元孤子(surface polaritonic solitons),其产生功率非常低且以超光速的速度传播。5.研究了室温下具有主动拉曼增益(active Raman gain,简称ARG)的四能级量子发射体掺杂在电介质-NIMM界面上时体系的线性及非线性表面极化激元的传播。研究发现表面极化激元可从耦合到量子发射体的泵浦光场中获得增益,从而可用来补偿其欧姆损耗。另外,控制光所诱导的量子干涉效应使得信号光的增益谱从单峰改变为双峰,从而使得体系尽管有净增益但增益很小,二者的联合效应使得信号光可在电介质-NIMM界面上稳定的传播且具有超光速的传播速度。另外,研究还发现由于量子发射体的量子干涉效应使得表面极化激元的克尔非线性得到极大地增强,由此在界面上可激发出产生功率很低的一维和二维快光表面极化激元孤子。该研究所得结果对实现超快光响应及表面极化激元的长距离传输等具有潜在的应用价值。本论文所提出的研究方法及给出的研究结果,对于发展多能级量子体系的量子干涉与非线性光学效应理论及其在精密光谱科学与技术、光信息处理与传输、量子计算与量子信息等应用方面都有一定的意义。
【关键词】：电磁感应透明 Autler-Townes分裂 EIT-ATS渡越 光谱分解法 光孤子 表面极化激元
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O431.2
【目录】：

• 摘要6-10
• Abstract10-15
• 目录15-28
• 第一章 绪论28-46
• 1.1 引言28-29
• 1.2 电磁感应透明与Autler-Twones分裂及其研究进展29-36
• 1.2.1 电磁感应透明29-35
• 1.2.2 Autler-Twones分裂35-36
• 1.3 量子干涉效应光谱分解法及其研究进展36-40
• 1.4 表面等离激元的相干控制及其研究进展40-43
• 1.5 论文结构43-46
• 第二章 光与物质相互作用的半经典理论及电介质-负折射率超颖材料界面的电场模式分析46-68
• 2.1 光与共振介质相互作用的半经典理论46-52
• 2.1.1 光与冷原子相互作用的一般理论46-50
• 2.1.2 EIT效应及光的线性传播特性50-52
• 2.2 量子干涉效应分析和光谱分解法52-57
• 2.3 渐近分析方法和光在共振介质系统中的非线性传播57-62
• 2.4 电介质-负折射率超颖材料界面电场模式及本征色散关系分析62-66
• 2.5 本章小结66-68
• 第三章 非均匀展宽开放Λ型分子系统中的EIT-ATS渡越及超慢光孤子68-88
• 3.1 引言68-69
• 3.2 开放Λ型分子系统模型69-72
• 3.3 线性传播特性研究72-84
• 3.3.1 系统初始状态及线性解72-73
• 3.3.2 控制光探测光同向传播热分子系统中的EIT-ATS渡越73-79
• 3.3.3 控制光探测光反向传播热分子系统中的EIT-ATS渡越79-82
• 3.3.4 冷分子系统中的EIT-ATS渡越及各系统间量子干涉的比较82-84
• 3.4 非线性脉冲传播特性研究84-86
• 3.5 本章小结86-88
• 第四章 非均匀展宽开放V型分子系统中的EIT-ATS渡越88-108
• 4.1 引言88-89
• 4.2 开放V型分子系统模型及其线性解89-92
• 4.2.1 模型介绍89-91
• 4.2.2 系统的线性解91-92
• 4.3 热分子系统中量子干涉特性分析92-103
• 4.3.1 探测光控制光同向传播构型系统93-99
• 4.3.2 控制光探测光反向传播构型系统99-103
• 4.4 冷分子系统及各系统间量子干涉的比较103-105
• 4.5 V型系统中饱和吸收和光学烧孔的作用105-107
• 4.6 本章小结107-108
• 第五章 非均匀展宽开放梯型系统中的EIT-ATS渡越108-126
• 5.1 引言108-109
• 5.2 开放梯型系统模型109-111
• 5.3 梯形-Ⅰ型系统中的量子干涉特性分析111-119
• 5.3.1 线性色散关系111-112
• 5.3.2 热铷原子气体中的EIT-ATS渡越112-116
• 5.3.3 热分子气体中的EIT-ATS渡越116-118
• 5.3.4 热里德堡原子气体中的EIT118-119
• 5.4 梯形-Ⅱ型系统中的量子干涉特性分析119-124
• 5.4.1 线性色散关系120
• 5.4.2 热钠原子气体中的EIT-ATS渡越120-123
• 5.4.3 微波诱导透明中的量子干涉123-124
• 5.5 本章小结124-126
• 第六章 利用相干粒子数振荡实现快光表面极化激元孤子126-140
• 6.1 引言126-127
• 6.2 模型介绍127-131
• 6.3 相干粒子数振荡机制线性超快表面极化激元131-134
• 6.3.1 初始状态131-132
• 6.3.2 相干粒子数振荡机制表面极化激元的线性色散关系132-134
• 6.4 相干粒子数振荡机制的巨克尔效应及表面极化激元孤子134-139
• 6.5 本章小结139-140
• 第七章 利用主动拉曼增益实现(2+1)维表面极化激元孤子140-152
• 7.1 引言140-141
• 7.2 模型介绍141-143
• 7.3 主动拉曼增益机制表面极化激元的线性传播特性143-145
• 7.4 主动拉曼增益机制表面极化激元的非线性传播特性145-148
• 7.4.1 非线性包络方程和巨克尔效应145-147
• 7.4.2 快光表面极化激元孤子147-148
• 7.5 (2+1)维快光表面极化激元孤子148-150
• 7.6 本章小结150-152
• 第八章 总结与展望152-156
• 8.1 研究工作总结152-154
• 8.2 拟开展的进一步工作154-156
• 附录A 第三章中一些表达式的具体形式156-158
• A.1 η_j,A_(j±),及δ_(j±)的具体表达式156
• A.2 MB方程组二阶解的具体表达式156-158
• 附录B 第四章中一些系数的具体表达式158-160
• B.1 同向传播构型系统α,A_(j±),及δ_(j±)的具体表达式158
• B.2 反向传播构型系统α,A_(j±),及δ_(j±)的具体表达式158-160
• 附录C 第五章中波数比x=-1的梯形-Ⅱ型系统谱分解160-162
• 附录D 第六章中一些表达式的具体形式162-164
• D.1 A和B的具体形式162
• D.2 各阶M~((l)),N~((l))及P~((l))的具体表达式162
• D.3 部分二阶解的具体表达式162-164
• 附录E 第七章中一些表达式的具体形式164-166
• E.1 相互作用表象下的Bloch方程164
• E.2 线性解有关系数的具体表达式164-165
• E.3 二阶解的具体表达式165-166
• 参考文献166-185
• 攻读博士学位期间发表的论文185-186
• 致谢186

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 龚尚庆;钮月萍;周凤雪;祁义红;彭延东;;原子类原子系统光学特性的量子相干调控应用基础研究[J];光学学报;2011年09期

2 王振林;;表面等离激元研究新进展[J];物理学进展;2009年03期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 李慧军;相干原子介质中弱光非线性光学效应的研究[D];华东师范大学;2008年

2 徐进;基于狭缝波导的非线性与量子干涉效应研究[D];华东师范大学;2014年

  本文关键词：非均匀展宽介质中电磁感应透明到Aulter-Townes分裂渡越及光的传播特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：374635