多能級原子系統(tǒng)中光脈沖的存儲及其優(yōu)化研究

多能級原子系統(tǒng)中光脈沖的存儲及其優(yōu)化研究原子、分子、量子點等量子發(fā)射體中的量子相干效應(yīng)一直是原子分子光物理中倍受重視的研究課題?；诹孔酉喔尚?yīng)可實現(xiàn)許多有趣的物理現(xiàn)象,包括相干粒子數(shù)俘獲、無反轉(zhuǎn)激光、電磁感應(yīng)光透明(Electromagneticallyinducedtransparency,簡稱EIT)、光脈沖的群速度減慢、介質(zhì)的克爾非線性效應(yīng)增強等。盡管有關(guān)工作已持續(xù)開展了近三十年,但時至今日人們的研究熱情一直沒有遞減,新的研究結(jié)果仍然層出不窮。近年來,人們關(guān)注最多的是原子氣體中的EIT現(xiàn)象。EIT的最簡單模型是兩個激光場(分別稱為探測場與控制場)與Λ-型三能級原子的共振相互作用。其基本原理是利用控制場使原子的兩個躍遷通道之間產(chǎn)生量子相消干涉,從而在探測場的吸收光譜線型中產(chǎn)生一個顯著的透明窗口,由此可有效地抑制共振介質(zhì)對探測場的吸收。在EIT諸多的應(yīng)用中,光與量子信息的存儲與讀取的物理實現(xiàn)最為引人注目。各國的科學(xué)家們投入了大量的精力,對基于EIT的光脈沖存儲與讀取進(jìn)行了深入的理論與實驗探索,取得了不少有趣且重要的研究成果。然而,這些研究大多是圍繞自由空間的原子氣體和線性光脈沖的存儲而展開的。體系中存在的各種退相干、色散、衍射等效應(yīng)使光存儲的效率與保真度難以提高,也不利于裝置的小型化與實用化。為了解決這些具有挑戰(zhàn)性的問題,必須深入研究EIT及其光存儲的物理特性,拓廣相關(guān)研究領(lǐng)域,提出可行的理論與實驗方案。本論文以相關(guān)實驗與理論研究成果為基礎(chǔ),首先提出了基于EIT在Kagome空芯光子晶體光纖中實現(xiàn)線性與非線性光脈沖的存儲方案;其次基于EIT和四波混頻技術(shù),對雙脈沖的光存儲與讀取進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究,提出了優(yōu)化存儲效率和保真度的方法。另外,提出了基于主動拉曼增益(activeRamangain,簡稱ARG)獲得快光存儲的方案。具體來說,本論文的主要研究結(jié)果包括以下幾個方面:1.充有原子氣體的Kagome型空芯光子晶體光纖中光脈沖的存儲。相比于空芯光子帶隙光纖,Kagome型空芯光子晶體光纖有較大的孔徑,從而可以充入較多的原子。該研究從解析與數(shù)值兩個方面,深入系統(tǒng)地探討了充入空芯Kagome光纖中的原子氣體中的EIT特性、光孤子的形成、傳播及其存儲與讀取等問題。研究表明,光子晶體光纖的橫向囚禁效應(yīng)可使光與原子的相互作用效應(yīng)增強,進(jìn)而導(dǎo)致EIT效應(yīng)的增強;其次,該橫向囚禁增強效應(yīng)也可使體系的非線性克爾系數(shù)大為增強,從而在體系中很容易形成光孤子,其形成長度、傳播速度、產(chǎn)生功率等都比自由空間小得多;更為重要的是,光纖的橫向囚禁消除了體系的衍射效應(yīng),使所得超慢弱光孤子能在光纖中穩(wěn)定地傳輸,且可通過適當(dāng)關(guān)閉與開啟控制光場,實現(xiàn)這些光孤子的高效存儲與讀取。2.基于原子四波混頻的光脈沖的存儲與優(yōu)化。早前大多數(shù)關(guān)于光存儲的研究都是圍繞單個光脈沖進(jìn)行的。該研究基于原子體系的四波混頻和EIT,探討了兩個光脈沖的有效存儲問題。首先,對光脈沖在雙Λ-型四能級原子體系中的傳播進(jìn)行了仔細(xì)分析,得到了慢模和快模兩種(集體)傳播模式并研究了它們的物理特性;其次,用多種尺度法導(dǎo)出了兩傳播模式的非線性耦合包絡(luò)方程,證明了在適當(dāng)?shù)臈l件下,體系的色散、自相位調(diào)制和交叉相位調(diào)制能夠得到平衡,從而可形成耦合慢光孤子;然后,提出了僅激發(fā)體系的慢模來同時提高探測光脈沖和斯托克斯光脈沖存儲質(zhì)量的方案,證明了利用這樣的存儲方案可使兩種光信號的存儲與讀取的效率與保真度得到優(yōu)化。3.基于主動拉曼增益的快光介質(zhì)中光脈沖的存儲與讀取。至今為止,幾乎所有光脈沖存儲的工作都是基于具有弱吸收的慢光介質(zhì)而展開的。本研究提出了基于ARG的快光增益介質(zhì)中光脈沖的存儲與讀取方案。所采用的系統(tǒng)為四能級原子氣體,與三個激光場(分別稱為泵浦光、信號光和控制光)發(fā)生共振相互作用。研究結(jié)果表明,該ARG體系具有量子干涉效應(yīng),可用來壓制信號光場的增益,從而使體系支持穩(wěn)定的快光脈沖傳播;另外,在該ARG系統(tǒng)中也可實現(xiàn)光脈沖的存儲和讀取。本論文所得到的若干研究結(jié)